“我们所研发的有机小分子晶体，是一种高性能的储氢材料。我们的研究目标是希望能为燃料电池汽车提供可靠的储氢方案。而燃料电池汽车的大规模普及，对于实现全球碳中具有重要意义。

在低温条件下，我们所研发的有机小分子晶体在材料层面上达到了美国能源部对于燃料电池轻型商用车储氢系统容量的标准要求。即在特定的体积和质量的材料之中，能够存储足够量的氢气。”香港大学研究助理教授唐淳表示。

图丨从左至右：张瑞华博士、Stoddart 教授、唐淳博士（来源：唐淳）

日前，相关论文以《在超分子晶体中平衡储氢的体积容量和重量容量》（Balancing volumetric and gravimetric capacity for hydrogen in supramolecular crystals）为题发在 Nature Chemistry（IF 19.2）。

香港大学张瑞华研究助理教授是第一作者，香港大学唐淳研究助理教授、美国西北大学兰德尔·斯努尔（Randall Snurr）教授、以及英国化学家&2016 年诺贝尔化学奖获得者詹姆斯·弗雷泽·司徒塔特（James Fraser Stoddart）教授担任共同通讯作者 [1]。

图 | 相关论文（来源：Nature Chemistry）

“钢筋水泥”和“茅草绳”

之所以开展这项研究，在很大程度上源于一次意外发现。

2022 年初，张瑞华和唐淳设计并合成了一种同时含有多个咪唑基团和多个羧酸基团的有机小分子。

他们的初衷是希望利用这种有机小分子来合成金属有机框架（MOF，Metal-Organic Framework）用于储氢研究。

金属有机框架的常见合成方法是将金属与含有多个羧酸基团的有机小分子共混，使其在特定条件下组装结晶。

经过初步尝试之后，他们很快就获得了高质量的晶体。然而，通过单晶结构解析发现：该晶体完全由有机小分子组成，事先加入的金属并未参与结晶。

进一步研究之后，他们确认这种有机小分子晶体属于氢键有机框架。

氢键有机框架（HOF，Hydrogen-bonded organic frameworks），是目前多孔框架材料研究的重要领域之一，许多中国科学家在这一领域已经做出了具有重大国际影响力的成果。

随后，他们进行了大量的尝试，希望能够获得金属有机框架，但是大多数实验只生成了上述有机小分子的晶体。

后来，司徒塔特教授在得知他们的结果之后，分享了很多科研中的“意外收获型”经验。

司徒塔特教授还提到青霉素和导电高分子这些革命性的发现都是来自于实验中的偶然，他自己也非常享受化学研究中的偶然发现。

借此，他鼓励张瑞华和唐淳等人不妨仔细深入探究所获得的有机小分子晶体的性质。

图丨晶体结构的简化示意图（来源：唐淳）

随后，唐淳等人发现这个有机小分子晶体的组装结构非常复杂。通过后续研究他们理解到：它的复杂性来自于高度有序的互相穿插。

唐淳表示，可以把这个有机小分子晶体想象成是由七个蜂窝状的框架以编织方式彼此交织在一起的结构。

这种穿插结构让有机小分子晶体得以兼具高比表面积与高稳定性。

假如金属有机框架是用钢筋水泥（共价键）建造的房子，而有机小分子晶体好比是用茅草和木板（非共价相互作用）建造的房子。

当移除房子中的“非承重墙”（通常是溶剂分子）时，金属有机框架一般仍能保持较好的框架结构。

而有机小分子晶体往往会坍塌，因为这些溶剂分子可能就是有机小分子晶体的“承重墙”。或者说，有机小分子间的非共价相互作用通常不足以维持框架结构的稳定。

在该团队获得的有机小分子晶体之中，七个框架结构彼此穿插、支撑和稳定，就像将茅草编成绳子后，绳子具有远超茅草本身的机械强度。

因此在移除溶剂分子之后，这种有机小分子晶体仍能很好地保持框架结构的稳定性。

再后来，课题组发现它具有非常高的比表面积，两克有机小分子晶体的表面积，与一个足球场的面积相当。

更为重要地是，他们发现这个有机小分子晶体的比表面积和其密度与 MOF-5 非常相似。

MOF-5 是知名的储氢框架材料，具有非常高的储氢容量，这促使他们去研究这种有机小分子晶体的储氢性能。

由于这种有机小分子晶体不含任何金属，这让他们能够研究在没有金属参与的情况下纯有机分子框架的储氢性质。

他们发现，这种有机小分子晶体在零下 195℃的低温至下，具有很高的储氢性能，特别是其体积储氢容量非常高。

随后他们与担任本次论文通讯作者的斯努尔教授，开展了理论模拟合作，从而对这种材料的储氢性能有了更深入的理解。

他们认为，这与其高度有序的互相穿插结构所形成的孔径分布和高比表面积有着密切关系。至此，研究基本告一段落。

在香港大学和诺奖得主做研究

在本研究中最令唐淳动容的事情，是与司徒塔特教授这些年一起做科研的点点滴滴。

唐淳表示：“Stoddart 教授对中国有很深的感情，他的学生遍布中国各地，在中国春节他会在家中宴请全体组员共度佳节。今年是他在香港大学工作的第一年，他也入乡随俗，在龙年春节为每位组员准备了红包。”

在他眼中，司徒塔特教授堪称是“行走的化学图书馆”。在研究中遇到的问题，他总能精准地推荐相关书籍和文献，而组员们往往能在他推荐的材料中找到答案。

虽然已年过八十，但他对化学研究的热爱令人钦佩。他几乎全年无休，践行了“工作即生活，生活即工作”的理念。

“他的办公室门永远敞开，方便我们随时前去讨论。他会逐字逐句（包括标点符号）地修改所有论文及其附加信息，对论文配图要求极高，比如本次论文的配图他就修改了不下几十稿。”

唐淳表示，“自己感到非常幸运，在本科生、博士生以及博士后研究阶段都得到了导师们的倾心栽培。这激励着我将教学与研究作为今后的职业发展方向，将导师们教书育人的精神传承下去。”

图 | 司徒塔特教授在家中宴请组员欢度春节（来源：唐淳）

而在未来，唐淳等人希望借鉴当前研究的思路，设计出能在室温下实现高储氢容量的材料。

目前，室温下具有高容量的储氢材料通常需要具备较高的氢气结合能，但这种高结合能同时限制了氢气的按需释放。

因此，他们正在探索如何设计具有刺激响应性的储氢材料，使其在一种状态下与氢气具有较高的结合能力。

而在另一种可逆切换的状态下，氢气结合能力会显著减弱，从而实现氢气的按需存储与释放。

与此同时，他们在本次研究中也意识到了有机晶体在结晶过程中的不可预测性，即如何通过有机小分子预测有机小分子的晶体结构是一个极具挑战的难题。

目前，常见的研究策略是通过设计并合成有机小分子。获得有机小分子之后对其进行结晶，通过收集晶体的衍射数据，获得有机小分子的晶体结构，再进一步回顾有机小分子的结构设计。

如此循环往复，加上一点点好运，最终就有可能得到理想的结构。

然而，这一过程会涉及到分离、提纯、表征、结晶和衍射等步骤，因此验证一个分子设计需要非常庞大的实验工作量。

所以，他们非常期待使用 AI 技术来辅助传统的试错过程。目前，已有一些科学家在基于有机小分子预测晶体结构的研究方面取得了令人振奋的进展。

未来，他们也希望积极拥抱 AI 技术，助力于研发性能更优越的储氢材料。

利用 AI 技术，他们也有望大幅提升研究效率，减少实验工作量。

比如，AI 可以通过分析大量已有的晶体结构数据，识别出潜在的规律和模式，从而预测新的有机小分子的结晶行为。

这不仅能加速实验设计和优化，还能提供新的思路和方向，甚至帮助他们突破传统方法的局限。

此外，AI 技术在数据处理和模拟方面的强大能力也可以用于优化储氢材料的设计。

例如，通过机器学习算法，或许可以筛选出具有更加优异储氢性能的分子结构，甚至预测其在不同条件下的表现。

尽管目前他们的研究尚未涉及 AI 技术，但他们深信未来 AI 将成为他们的重要研究工具。

“我们非常期待通过 AI 技术的应用，推动储氢材料的研发，最终实现高效、安全的氢气存储与释放。这不仅对我们的基础研究很有意义，也会对能源领域的发展产生深远影响。”唐淳最后表示。

参考资料：

1.Zhang, R., Daglar, H., Tang, C.et al. Balancing volumetric and gravimetric capacity for hydrogen in supramolecular crystals. Nat. Chem. (2024). https://doi.org/10.1038/s41557-024-01622-w

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