諾獎得主團隊構建超分子晶體，以此為基礎開發高性能儲氫材料，證明超分子晶體能被作為儲氫候選者

「我們所研發的有機小分子晶體，是一種高性能的儲氫材料。我們的研究目標是希望能為燃料電池汽車提供可靠的儲氫方案。而燃料電池汽車的大規模普及，對於實現全球碳中具有重要意義。

在低溫條件下，我們所研發的有機小分子晶體在材料層面上達到了美國能源部對於燃料電池輕型商用車儲氫系統容量的標準要求。即在特定的體積和質量的材料之中，能夠存儲足夠量的氫氣。」香港大學研究助理教授唐淳表示。

圖 | 相關論文（來源：Nature Chemistry）

「鋼筋水泥」和「茅草繩」

之所以開展這項研究，在很大程度上源於一次意外發現。

2022 年初，張瑞華和唐淳設計併合成了一種同時含有多個咪唑基團和多個羧酸基團的有機小分子。

他們的初衷是希望利用這種有機小分子來合成金屬有機框架（MOF，Metal-Organic Framework）用於儲氫研究。

金屬有機框架的常見合成方法是將金屬與含有多個羧酸基團的有機小分子共混，使其在特定條件下組裝結晶。

經過初步嘗試之後，他們很快就獲得了高質量的晶體。然而，通過單晶結構解析發現：該晶體完全由有機小分子組成，事先加入的金屬並未參與結晶。

進一步研究之後，他們確認這種有機小分子晶體屬於氫鍵有機框架。

氫鍵有機框架（HOF，Hydrogen-bonded organic frameworks），是目前多孔框架材料研究的重要領域之一，許多中國科學家在這一領域已經做出了具有重大國際影響力的成果。

隨後，他們進行了大量的嘗試，希望能夠獲得金屬有機框架，但是大多數實驗只生成了上述有機小分子的晶體。

後來，司徒塔特教授在得知他們的結果之後，分享了很多科研中的「意外收穫型」經驗。

司徒塔特教授還提到青黴素和導電高分子這些革命性的發現都是來自於實驗中的偶然，他自己也非常享受化學研究中的偶然發現。

借此，他鼓勵張瑞華和唐淳等人不妨仔細深入探究所獲得的有機小分子晶體的性質。

隨後，唐淳等人發現這個有機小分子晶體的組裝結構非常複雜。通過後續研究他們理解到：它的複雜性來自於高度有序的互相穿插。

唐淳表示，可以把這個有機小分子晶體想像成是由七個蜂窩狀的框架以編織方式彼此交織在一起的結構。

這種穿插結構讓有機小分子晶體得以兼具高比表面積與高穩定性。

假如金屬有機框架是用鋼筋水泥（共價鍵）建造的房子，而有機小分子晶體好比是用茅草和木板（非共價相互作用）建造的房子。

當移除房子中的「非承重牆」（通常是溶劑分子）時，金屬有機框架一般仍能保持較好的框架結構。

而有機小分子晶體往往會坍塌，因為這些溶劑分子可能就是有機小分子晶體的「承重牆」。或者說，有機小分子間的非共價相互作用通常不足以維持框架結構的穩定。

在該團隊獲得的有機小分子晶體之中，七個框架結構彼此穿插、支撐和穩定，就像將茅草編成繩子後，繩子具有遠超茅草本身的機械強度。

因此在移除溶劑分子之後，這種有機小分子晶體仍能很好地保持框架結構的穩定性。

再後來，課題組發現它具有非常高的比表面積，兩克有機小分子晶體的表面積，與一個足球場的面積相當。

更為重要地是，他們發現這個有機小分子晶體的比表面積和其密度與 MOF-5 非常相似。

MOF-5 是知名的儲氫框架材料，具有非常高的儲氫容量，這促使他們去研究這種有機小分子晶體的儲氫性能。

由於這種有機小分子晶體不含任何金屬，這讓他們能夠研究在沒有金屬參與的情況下純有機分子框架的儲氫性質。

他們發現，這種有機小分子晶體在零下 195℃的低溫至下，具有很高的儲氫性能，特別是其體積儲氫容量非常高。

隨後他們與擔任本次論文通訊作者的斯艾荷沙維教授，開展了理論模擬合作，從而對這種材料的儲氫性能有了更深入的理解。

他們認為，這與其高度有序的互相穿插結構所形成的孔徑分佈和高比表面積有著密切關係。至此，研究基本告一段落。

在香港大學和諾獎得主做研究

在本研究中最令唐淳動容的事情，是與司徒塔特教授這些年一起做科研的點點滴滴。

唐淳表示：「Stoddart 教授對中國有很深的感情，他的學生遍佈中國各地，在中國春節他會在家中宴請全體組員共度佳節。今年是他在香港大學工作的第一年，他也入鄉隨俗，在龍年春節為每位組員準備了紅包。」

在他眼中，司徒塔特教授堪稱是「行走的化學圖書館」。在研究中遇到的問題，他總能精準地推薦相關書籍和文獻，而組員們往往能在他推薦的材料中找到答案。

雖然已年過八十，但他對化學研究的熱愛令人欽佩。他幾乎全年無休，踐行了「工作即生活，生活即工作」的理念。

「他的辦公室門永遠敞開，方便我們隨時前去討論。他會逐字逐句（包括標點符號）地修改所有論文及其附加信息，對論文配圖要求極高，比如本次論文的配圖他就修改了不下幾十稿。」

唐淳表示，「自己感到非常幸運，在本科生、博士生以及博士後研究階段都得到了導師們的傾心栽培。這激勵著我將教學與研究作為今後的職業發展方向，將導師們教書育人的精神傳承下去。」

而在未來，唐淳等人希望借鑒當前研究的思路，設計出能在室溫下實現高儲氫容量的材料。

目前，室溫下具有高容量的儲氫材料通常需要具備較高的氫氣結合能，但這種高結合能同時限制了氫氣的按需釋放。

因此，他們正在探索如何設計具有刺激響應性的儲氫材料，使其在一種狀態下與氫氣具有較高的結合能力。

而在另一種可逆切換的狀態下，氫氣結合能力會顯著減弱，從而實現氫氣的按需存儲與釋放。

與此同時，他們在本次研究中也意識到了有機晶體在結晶過程中的不可預測性，即如何通過有機小分子預測有機小分子的晶體結構是一個極具挑戰的難題。

目前，常見的研究策略是通過設計併合成有機小分子。獲得有機小分子之後對其進行結晶，通過收集晶體的衍射數據，獲得有機小分子的晶體結構，再進一步回顧有機小分子的結構設計。

如此循環往複，加上一點點好運，最終就有可能得到理想的結構。

然而，這一過程會涉及到分離、提純、表徵、結晶和衍射等步驟，因此驗證一個分子設計需要非常龐大的實驗工作量。

所以，他們非常期待使用 AI 技術來輔助傳統的試錯過程。目前，已有一些科學家在基於有機小分子預測晶體結構的研究方面取得了令人振奮的進展。

未來，他們也希望積極擁抱 AI 技術，助力於研發性能更優越的儲氫材料。

利用 AI 技術，他們也有望大幅提升研究效率，減少實驗工作量。

比如，AI 可以通過分析大量已有的晶體結構數據，識別出潛在的規律和模式，從而預測新的有機小分子的結晶行為。

這不僅能加速實驗設計和優化，還能提供新的思路和方向，甚至幫助他們突破傳統方法的局限。

此外，AI 技術在數據處理和模擬方面的強大能力也可以用於優化儲氫材料的設計。

例如，通過機器學習算法，或許可以篩選出具有更加優異儲氫性能的分子結構，甚至預測其在不同條件下的表現。

儘管目前他們的研究尚未涉及 AI 技術，但他們深信未來 AI 將成為他們的重要研究工具。

「我們非常期待通過 AI 技術的應用，推動儲氫材料的研發，最終實現高效、安全的氫氣存儲與釋放。這不僅對我們的基礎研究很有意義，也會對能源領域的發展產生深遠影響。」唐淳最後表示。

參考資料：

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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