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Defect-Engineered UiO-66 Doped with Heterovalent Metals for Enhanced SO 2 Adsorption via Increased Active Sites

化学 吸附 物理吸附 兴奋剂 化学吸附 羧酸盐 路易斯酸 结晶度 范德瓦尔斯力 热稳定性 金属 微型多孔材料 化学稳定性 化学工程 无机化学 金属有机骨架 分子 纳米孔 配体(生物化学) 催化作用 活动站点 合理设计 甲酸
作者
Huifang Xu,Yuhong Tian,Z. Q. Zhu,Yucong Wang,Zehui Du,Ruiqi Ren
出处
期刊:Inorganic Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:64 (43): 21749-21762 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acs.inorgchem.5c04157
摘要

The chemical stability of UiO-66 has attracted extensive interest for gas adsorption applications. However, its intrinsic microporous structure restricts active site accessibility, thereby limiting its practical implementation. In this work, formic acid was employed as a modulator, and a postsynthetic heterovalent metal doping strategy was adopted to construct defect-engineered UiO-66 frameworks. Through systematic optimization, Mn2+-doped Mn-UiO-66-3 exhibited structural robustness, retaining crystallinity in aggressive acidic media (6 M HCl) and mildly basic environments (0.01 M NaOH), while maintaining thermal stability up to 400 °C. Notably, Mn-UiO-66-3 achieved a SO2 adsorption capacity of 1.111 mmol·g-1, representing a statistically significant 77% enhancement compared to pristine UiO-66 (0.628 mmol·g-1). Mechanistic investigations revealed cooperative interactions between engineered defect sites and introduced Lewis acid metal centers, which synergistically increased the density of the active sites. Combined spectroscopic and kinetic analyses identified carboxylate groups (μ3-OH), undercoordinated Zr nodes, and Mn2+ centers as the dominant adsorption sites, contributing to dual adsorption pathways involving physisorption (via van der Waals interactions) and chemisorption (through coordination interactions). Overall, this study validates heterovalent metal doping as a defect-engineering strategy for modulating MOF host-guest interactions, providing insights into SO2 capture mechanisms and advancing the MOF-based adsorbent design for industrial flue gas purification.
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