Cage Engineering in Anion‐Pillared MOFs for Benchmark One‐Step C2H4 Purification from Ternary C2H2/CO2/C2H4 Mixtures

三元运算 乙烯 微型多孔材料 乙炔 吸附 选择性 结晶学 离子 密度泛函理论 化学 材料科学 物理化学 有机化学 催化作用 计算化学 程序设计语言 计算机科学
作者
Lingyao Wang,Huirong Chen,Chengye Lou,Guangzu Xiong,Yunjia Jiang,Banglin Chen,Yuanbin Zhang
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:64 (40): e202514808-e202514808 被引量:13
标识
DOI:10.1002/anie.202514808
摘要

Abstract One‐step purification of ethylene (C 2 H 4 ) from the ternary mixtures of acetylene/carbon dioxide/ethylene (C 2 H 2 /CO 2 /C 2 H 4 ) is a critical industrial challenge due to their similar physical and chemical properties. Herein, we reported a cage engineering strategy in anion‐pillared metal‐organic frameworks (APMOFs) for efficient C 2 H 2 and CO 2 capture simultaneously. Specifically, two stable ZrF 6 2− anion‐pillared cage‐type MOFs (ZNU‐17 and ZNU‐27) are prepared with both ultramicroporous (∼4 Å) and microporous (>7 Å) cages but featuring different shapes. While ZNU‐17 allows the efficient binary C 2 H 2 /C 2 H 4 separation, ZNU‐27 enables the benchmark ternary C 2 H 2 /CO 2 /C 2 H 4 separation by increasing the adsorption affinity toward CO 2 . Notably, remarkably increased C 2 H 2 (170.1 cm 3 g −1 versus 120.1 cm 3 g −1 ) and CO 2 (91.8 cm 3 g −1 versus 64.5 cm 3 g −1 ) adsorption capacities are achieved in ZNU‐27, and the IAST selectivity of ZNU‐27 for CO 2 /C 2 H 4 is 4.3 times as high as that of ZNU‐17 (6.5 versus 1.5). The C 2 H 2 , CO 2 and C 2 H 4 binding sites in ZNU‐27 are studied by gas loaded in situ single crystal structure and density functional theory (DFT) calculation, which revealed that the unique fluorinated 8.5 Å spherical cages provide strong hydrogen binding or electrostatic interactions for C 2 H 2 and CO 2 . Dynamic breakthrough tests show that from a C 2 H 2 /CO 2 /C 2 H 4 (1/9/90) mixture, polymer‐grade C 2 H 4 (≥99.99%) can be obtained in ZNU‐27 with a high productivity of 12.04 mol kg −1 .
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