Mobile Constituent-Boosted Dynamic Separation of C2H2/C2H4/CO2 Ternary Mixtures in Metal–Organic Frameworks

化学 等结构 三元运算 金属有机骨架 反离子 气体分离 结晶学 吸附 化学工程 纳米技术 物理化学 晶体结构 有机化学 离子 材料科学 生物化学 计算机科学 工程类 程序设计语言
作者
Qixing Liu,Junyu Ren,Zhaoqiang Zhang,He Li,Neng‐Xiu Zhu,Dan Zhao
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
被引量:12
标识
DOI:10.1021/jacs.4c15141
摘要

The separation of acetylene (C2H2), ethylene (C2H4), and carbon dioxide (CO2) is critical in the chemical industry, driven by the increasing demand for high-purity C2H2 and C2H4. While metal-organic frameworks (MOFs) offer an energy-efficient approach for adsorptive gas separation, achieving sub-angstrom precision in pore size adjustment remains challenging. In this work, we leverage two synergistic mechanisms in a double-interpenetrated framework: (1) global structural flexibility, arising from dynamic displacement of subnetworks to tailor pore dimensions, and (2) local flexibility, enabled by counterion and ligand rotation, to modulate the aperture binding affinity for precise molecular discrimination. A series of isostructural MOFs, NUS-33-CF3SO3 and NUS-34-BF4, were designed to enable one-step purification of C2H4 and concurrent recovery of C2H2 from ternary gas mixtures. Within pores of optimal dimensions, the synergistic interplay between counterion-mediated host-guest interactions and local framework adaptability enables precise and simultaneous regulation of static and kinetic gas adsorption properties. Notably, NUS-34-BF4 achieves a dynamic C2H4 productivity of 2.62 mmol/g and a C2H2 uptake of 1.26 mmol/g. This study highlights the pivotal yet underexplored role of counterions as dynamic gatekeepers, offering a tunable strategy to engineer pore environments in flexible MOFs for advanced gas separations.
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