CH 4 Purification by a Carborane-Based Metal–Organic Framework with Rare Tetranuclear Copper Nodes

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作者
Kang Zhang,Changhong Liu,Yunjia Jiang,Wenlei Yang,Guangzu Xiong,Yabing He,Zonglin Gu,Yuanbin Zhang,Lingyao Wang
出处
期刊:Inorganic Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:64 (50): 24939-24947
标识
DOI:10.1021/acs.inorgchem.5c04879
摘要

The development of efficient methane (CH 4 ) purification technology from natural gas is crucial to its utilization. Adsorptive separation using porous metal–organic frameworks (MOFs) offers a promising and energy-efficient strategy. Herein, a novel carborane hybrid MOF, Cu-CB-DMTPA, was solvothermally synthesized by using Cu 2+, p -C 2 B 10 H 10 -(COOH) 2, and 2,6-dimethyl- N, N -di(pyridin-4-yl)pyridin-4-amine (DMTPA). This material features electronegative pore surfaces rich in B–H δ− groups and unique one-dimensional (1D) channels with dual pore sizes (large: 6.5 × 4.3 Å 2; small: 3.4 × 2.8 Å 2 ). Gas adsorption studies revealed significantly higher uptake of C 3 H 8 (29.9 cm 3 g –1 ) and C 2 H 6 (31.3 cm 3 g –1 ) over CH 4 (9.9 cm 3 g –1 ) at 298 K and 1.0 bar. Ideal adsorbed solution theory (IAST) selectivity calculations demonstrated outstanding performance for equimolar C 3 H 8 /CH 4 (61.2) and C 2 H 6 /CH 4 (14.4) separations, outperforming many popular materials. The separation mechanism, probed via in situ single-crystal X-ray diffraction (SCXRD) and Grand Canonical Monte Carlo (GCMC) simulations, is attributed to multiple cooperative weak interactions between the framework and hydrocarbons, with stronger binding affinity for larger and more polarizable molecules. Dynamic breakthrough experiments confirmed efficient one-step purification of CH 4 (>99.99% purity) from a CH 4 /C 2 H 6 /C 3 H 8 (85:10:5) mixture at 298 K, achieving a high CH 4 productivity of 81.53 L kg –1 . Cu-CB-DMTPA also maintains excellent recyclability and humidity resistance, highlighting its potential for industrial natural gas upgrading.
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