3D打印金属-有机骨架固体，用于高压气体的存储和分离

金属有机框架（MOF）是催化，气体存储以及气体存储和处理的最佳材料之一。到目前为止，已经制造和表征了超过20000种不同的MOF。

“虽然MOF以散粉形式生产并在实验室规模上进行了测试，但应用通常需要易于处理的固体，该固体具有特定的形状和足够的机械强度以承受长期的破坏性压力，例如磨损和静水压力。” JérémyDhainaut是里尔大学（University de Lille）的Catalyze et Chimie du Solide联合研究中心（UCCS）的研究员（他当时是京都大学综合细胞材料科学研究所（WPI-iCeMS）的博士后研究员）这项工作）。“在我们最近的工作中，我们专注于通过可控的宏观形态和优异的织构特性的机械浇铸来制备基于MOF的固体。”

设计基于MOF的固体的关键问题是要找到与特定应用有关的材料孔隙率和机械阻力之间的最佳组合。

正如该团队在ACS Applied Materials＆Interfaces（“用于强力微孔固体3D打印以高压气体存储和分离的金属有机框架油墨的配方”）中所报告的那样，他们使用了一种经过改进的3D打印机来控制油墨的沉积由四种不同的MOF粉末（HKUST-1，CPL-1，ZIF-8和UiO-66-NH 2）在低比例的粘合剂和增塑剂存在下配制而成。

“这种自动浇铸是一种微糊技术，它是基于糊剂的逐层沉积受控的微挤压技术，其优点是可以很好地控制最终固体的尺寸和形态，而且效果非常有限关于材料的孔隙率”，Dhainaut解释说。“在少量纤维素衍生的粘合剂的存在下，固体不仅在干燥后自立，而且还显示出相应的坚固性。”

他指出很少有技术可以同时满足所有这些条件，因此特别适合广泛的应用。

基于此处开发的方法的典型过程工作流程：（1）确定需求；（2）拟合固体的计算机辅助建模；（3）使用3D打印机的基于MOF的墨水沉积；以及（4）评估性能扎实。（经美国化学学会许可转载）

所有的表征技术都表明3D打印过程仅会对MOF的结构和结构特性产生轻微影响，并且与储气粉（二氧化碳，甲烷和分离粉）具有可比的性能，这对未来的应用很有希望。 （乙烯/乙烷）。

确实，固体表现出与初始粉末相当的永久性微孔。它们还具有较高的抗压强度，仅比致密的无粘合剂粒料低1-2个数量级。

通常，当多孔粉末成型时，会因与粘合剂过多有关而导致性能下降，从而阻碍孔隙的进入或致密化过程，从而部分破坏孔隙网络。特别是，MOF由彼此弱结合的元素（金属簇和有机化合物）组成。

“以前的研究表明，在工业规模上使用的致密化技术应用于MOF时，会导致不可逆转的性能损失，” Dhainaut说。“使用我们的自动广播技术时并非如此。”

在相同条件下，用含35 wt％（a）和51 wt％（b）的CPL-1配制的油墨印刷的基于CPL-1的物体的照片。（经美国化学学会许可转载）（点击图片放大）

团队的结果仍是初步的，在开发实际应用程序之前需要实现一些改进。

例如，他们计划印刷更多的粘性浆料，以增加MOF粉末的负载量，从而改善最终的坚固性以及体积吸收（特定体积材料可以吸收的气体体积）。 3D打印材料。

而且，它们将很快开始印刷更多的多孔粉末，这些粉末更易碎，但会显着增加最终材料的重量吸收率（特定重量的材料可以吸收的气体重量）。

美国能源部已经设定了高体积和重量吸收率，这是氢和天然气汽车的先决条件，而使用相同的材料很少能同时满足这两种要求。

Dhainaut总结道：“我们相信我们的研究为制备高度多孔的基于MOF的固体铺平了道路，其设计完全适合其应用：微反应器，吸附床或具有特定形态的分离膜，仅举几例。” 信息来源：Nanowerk