Adsorption of Carbon Dioxide on Unsaturated Metal Sites in M2(dobpdc) Frameworks with Exceptional Structural Stability and Relation between Lewis Acidity and Adsorption Enthalpy

路易斯酸 吸附 化学 焓 金属 无机化学 过渡金属 单独一对 分子 物理化学 结晶学 催化作用 有机化学 热力学 物理
作者
Ga Young Yoo,Woo Ram Lee,Hyuna Jo,Joonho Park,Jeong Hwa Song,Kwang Soo Lim,Dohyun Moon,Hyun Seung Jung,Juhyung Lim,Sang Soo Han,Yousung Jung,Chang Seop Hong
出处
期刊:Chemistry: A European Journal [Wiley]
卷期号:22 (22): 7444-7451 被引量:51
标识
DOI:10.1002/chem.201600189
摘要

A series of metal-organic frameworks (MOFs) M2 (dobpdc) (M=Mn, Co, Ni, Zn; H4 dobpdc=4,4'-dihydroxy-1,1'-biphenyl-3,3'-dicarboxylic acid), with a highly dense arrangement of open metal sites along hexagonal channels were prepared by microwave-assisted or simple solvothermal reactions. The activated materials were structurally expanded when guest molecules including CO2 were introduced into the pores. The Lewis acidity of the open metal sites varied in the order Mn Zn, as confirmed by C=O stretching bands in the IR spectra, which are related to the CO2 adsorption enthalpy. DFT calculations revealed that the high CO2 binding affinity of transition-metal-based M2 (dobpdc) is primarily attributable to the favorable charge transfer from CO2 (oxygen lone pair acting as a Lewis base) to the open metal sites (Lewis acid), while electrostatic effects, the underlying factor responsible for the particular order of binding strength observed across different transition metals, also play a role. The framework stability against water coincides with the order of Lewis acidity. In this series of MOFs, the structural stability of Ni2 (dobpdc) is exceptional; it endured in water vapor, liquid water, and in refluxing water for one month, and the solid remained intact on exposure to solutions of pH 2-13. The DFT calculations also support the experimental finding that Ni2 (dobpdc) has higher chemical stability than the other frameworks.
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