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Tunable Interlayer Shifting in Two-Dimensional Covalent Organic Frameworks Triggered by CO2 Sorption

堆积 吸附 化学 吸附 原子转移自由基聚合 共价键 化学工程 密度泛函理论 多孔性 结晶学 聚合 化学物理 计算化学 有机化学 聚合物 工程类
作者
Chengjun Kang,Zhaoqiang Zhang,Adam K. Usadi,David C. Calabro,Lisa Saunders Baugh,Kungang Chai,Yuxiang Wang,Dan Zhao
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (44): 20363-20371 被引量:124
标识
DOI:10.1021/jacs.2c08214
摘要

Two-dimensional covalent organic frameworks (2D COFs) have been widely viewed as rigid porous materials with smooth and reversible gas sorption isotherms. In the present study, we report an unusual hysteresis step in the CO2 adsorption isotherm of a 2D COF, TAPB-OMeTA. In situ powder X-ray diffraction (PXRD) measurements, computational modeling, and Pawley refinement indicate that TAPB-OMeTA experiences slight interlayer shifting during the CO2 adsorption process, resulting in a new structure that is similar but not identical to the AA stacking structure, namely, a quasi-AA stacking structure. This interlayer shifting is responsible for the step in its CO2 adsorption isotherm. We attribute the interlayer shifting to the interactions between COF and CO2, which weaken the attraction strength between adjacent COF layers. Notably, the repulsion force between the methoxy groups on the backbone of TAPB-OMeTA is essential in facilitating the interlayer shifting process. After further increasing the size of side groups by grafting poly(N-isopropylacrylamide) oligomers to the TAPB-OMeTA backbone via surface-initiated atom transfer radical polymerization (SI-ATRP), we observed a second interlayer shifting and two adsorption steps in the CO2 adsorption isotherm, suggesting tunability of the interlayer shifting process. Density functional theory (DFT) calculations confirm that the quasi-AA stacking structure is energetically preferred over AA stacking under a CO2 atmosphere. These findings demonstrate that 2D COFs can be "soft" porous materials when interacting with gases, providing new opportunities for 2D COFs in gas storage and separation.
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