Balancing Nucleation and Growth Kinetics Enables Fully‐Coordinated Acetic Acid‐Tethered Metal–Organic Frameworks for Technoeconomic‐Viable Hydrogen Storage

成核 氢气储存 材料科学 动力学 醋酸 金属有机骨架 金属 化学工程 无机化学 有机化学 冶金 化学 工程类 吸附 物理 量子力学 合金
作者
Zi Li,Yifeng Li,Ke Huang,Shouyi Hu,Yinghui Li,Haoliang Hong,Xusheng Wang,Xi Lin,Fengzhan Sun,Binjian Nie,Wen‐Jin Yin,Zhigang Hu,Jianxin Zou
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
卷期号:15 (42) 被引量:4
标识
DOI:10.1002/aenm.202503259
摘要

Abstract Precision decoupling nucleation and growth kinetics remains a grand challenge to enable high‐performance MOFs for efficient hydrogen storage. Herein, by using a decelerating nucleation kinetics (denuk) strategy (k nucleation /k growth = 0.0002), a fully‐coordinated acetic acid‐tethered MOF‐808 (MOF‐808‐0.5AA‐mm) is synthesized with a volumetric hydrogen storage capacity of 50 g L −1 under 77 K and 100 bar, retaining 100% hydrogen uptake after 2000 cycles. In situ neutron powder diffraction (NPD), grand canonical Monte Carlo (GCMC) simulation, and density functional theory (DFT) calculation results collectively suggest that hydrogen initially occupies the small tetrahedral cage (site I) and gradually fills both small (site I) and large adamantane cages (site II) as pressure increases. A 100g‐H 2 ‐scale MOF‐based solid‐state hydrogen storage system integrated with a 200‐W fuel cell demonstrates ultrafast H 2 adsorption and release kinetics, maintaining 100% capacity after 100 cycles. Techno‐economic analysis (TEA) results suggest MOF‐808‐0.5AA‐mm can achieve a 45% lower levelized cost of hydrogen storage (2.34 $ kg H2 −1 ) than liquid hydrogen (4.3 $ kg H2 −1 ), approaching the compressed gas (0.9–1.2 $ kg H2 −1 ) under identical conditions. The work thus prospects a new crystallization control paradigm to achieve high‐capacity, mechanically robust, long‐duration, and cost‐effective MOF adsorbents for speed‐demanding and space‐limiting hydrogen storage applications.
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