2003年全球化学科学重大进展(八)
材料学部分(上)
“绿色”沸石
当前，世界各国对燃油(汽油、柴油以及喷气发动机燃油)的深度
脱硫都非常关注,而且不少国家已制定了强制性标准。在现有技术条
件下,燃油的深度脱硫需要使用催化反应器在高温高压下进行,不仅难
度极大而且成本也非常高。
密歇根大学的Ralph T. Yang等人发现了1种“绿色”沸石，
其可在常温常压下可选择性地吸附商品燃料中的芳香族硫化物。这种
新型“绿色”沸石是研究人员在分子轨道(MO)研究的基础上,使用离
子交换制得,是1种含有Ag+或Cu+的Y型沸石(分别记为AgY和CuY)。
对柴油的吸附试验发现,CuY可以将柴油中的硫含量从原来430×10-6
降至不到0.2×10-6,每克沸石可以产出的清洁柴油量为34cm3。
此外,研究人员还对新型沸石的可再生性能进行了研究,结果显示CuY
可以通过加热或溶剂进行再生。热再生时,CuY的硫吸附能力仅降低5%;
溶剂再生时,室温下即可回收所有硫,但需加热除去溶剂。
研究表明,新型沸石对硫的选择性和吸附能力至少比之前报道的
吸附剂高40倍以上,不仅可用于深度脱硫生产常规清洁燃油,而且可
用于生产燃料电池用燃料。[Science, 2003,301:79](注:燃料电池用
燃油的硫含量应低于0.1×10-6～0.2×10-6)。
沸石和类沸石材料制备新方法
现代沸石及类沸石材料的制备通常使用有机分子来控制组装路径
并最终填充孔洞,然后通过高温燃烧除去这些包和在孔洞中的、昂贵
的有机分子。这种方法不仅不够经济，产品价格昂贵，而且燃烧过程
中产生的热和水分有时对沸石的结构非常有害。
美国的Mark E. Davis等人开发出1种无需高温燃烧制备沸石和
类沸石材料的方法,从而回避了这些困难。他们合成出1种有机结构
定向试剂(SDA,structure-directing agents),这种试剂可以在沸石
孔洞中解组装,解组装后的分子碎片从孔洞中移出,回收后重新利用。
作为验证,研究人员使用含环缩酮(ketal)基团的SDA合成了ZSM-5沸
石,沸石结构形成后,环缩酮基团从SDA上分离除去,整个过程不破坏
沸石的无机框架结构。
研究人员称,这种方法可以用于合成一系列无机和有机金属结构
材料。[Nature,2003,425:385]
贮氢的微孔金属-有机骨架晶体材料
氢燃料车辆和便携电器的开发需要在常温和相对较低的压力下贮
存大量氢的新型材料。美国能源部规定的车辆用贮氢材料设计目标要
求其可吸收自重6.5%的氢气。
美国密歇根大学的Omar M. Yaghi等人设计并构建出具有拉伸孔
洞的金属-有机骨架晶体(metal-organic framework crystals)。研
究发现，组成为Zn4O(BDC)3 (BDC指对苯二羧基)的金属-有机骨架
5(MOF-5)具有三维伸展的孔洞结构,-195.15℃时可吸收自重4.5%的
氢气(即每个分子单元吸收17.2个氢气分子),而在室温、2MPa压力
下可吸收自重1.0%的氢气。
此外,研究人员还对结构相似的、分别带有环丁基苯和萘的金属-有机
骨架6和8(IRMOF-6/8)进行了初步研究。结果表明,相同温度(室温)
和压力(1MPa)条件下,IRMOF-6和IRMOF-8的氢气吸收能力分别是
MOF-5的2倍和4倍。
该研究推进了氢作为燃料的实用化步伐。[Science,2003,300:1127]
超级纤维
美国德克萨斯大学的Ray H. Baughman等人设计并成功纺织出碳
纳米管复合纤维,这种纤维比蛛丝及之前报道的所有其他天然或合成
有机纤维的强度都高。
研究人员采用凝固纺丝(coagulation-based spinning)工艺,使用CO
制备的单壁碳纳米管,生产出碳纳米管和聚乙烯醇凝胶纤维,然后转变
为长100m、直径大约50μm的碳纳米管复合纤维。强度测试表明,该
纤维的韧性和强度分别是同等质量和长度钢丝的2倍和20倍;韧性是
蛛丝的4倍以上,比防弹背心用Kevlar高17倍。
研究人员称,这种超级纤维可以用于制造如安全带、飞机货物用
防爆毯等一系列强韧的纤维材料。此外,这种纤维兼有力学和电学性
能,还可以用于传感器、电子连接和电磁屏蔽等领域。
[Nature,2003,423:703]
新型超导层状过渡金属氧化物
自从1986年首次报道层状铜氧化物的高温超导电性,研究人员试图在
其他层状过渡金属氧化物中寻找类似的超导性能,但是一直没有成
功。
日本国家材料科学研究院的Kazunori Takada等人使用钠分离的层状
钴氧化物Na0.7CoO2,经过氧化反应将水分子结合到层状钴氧化物结
构中制得超导体NaxCoO2·yH2O。研究发现,约-268.15℃时这种材料
的磁化率和电阻率都急剧下降,产生超导转变。
[Nature,2003,422:53](包佳琨、洪译）
（未完待续）