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Water Reaction Mechanism in Metal Organic Frameworks with Coordinatively Unsaturated Metal Ions: MOF-74

离解(化学) 吸附 化学 氧化物 催化作用 金属 红外光谱学 反应机理 金属有机骨架 化学物理 光化学 无机化学 物理化学 有机化学
作者
Kui Tan,Sebastian Zuluaga,Qihan Gong,Pieremanuele Canepa,Hao Wang,Jing Li,Yves J. Chabal,Timo Thonhauser
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:26 (23): 6886-6895 被引量:184
标识
DOI:10.1021/cm5038183
摘要

Water dissociation represents one of the most important reactions in catalysis, essential to the surface and nano sciences [e.g., Hass et al., Science, 1998, 282, 265-268; Brown et al., Science 2001, 294, 67-69; Bikondoa et al., Nature 2005, 5, 189-192]. However, the dissociation mechanism on most oxide surfaces is not well understood due to the experimental challenges of preparing surface structures and characterizing reaction pathways. To remedy this problem, we propose the metal organic framework MOF-74 as an ideal model system to study water reactions. Its crystalline structure is well characterized; the metal oxide node mimics surfaces with exposed cations; and it degrades in water. Combining in situ IR spectroscopy and first-principles calculations, we explored the MOF-74/water interaction as a function of vapor pressure and temperature. Here, we show that, while adsorption is reversible below the water condensation pressure (~19.7 Torr) at room temperature, a reaction takes place at ~150 centigrades even at low water vapor pressures. This important finding is unambiguously demonstrated by a clear spectroscopic signature for the direct reaction using D2O, which is not present using H2O due to strong phonon coupling. Specifically, a sharp absorption band appears at 970 cm-1 when D2O is introduced at above 150 centigrades, which we attribute to an O-D bending vibration on the phenolate linker. Although H2O undergoes a similar dissociation reaction, the corresponding O-H mode is too strongly coupled to MOF vibrations to detect. In contrast, the O-D mode falls in the phonon gap of the MOF and remains localized.
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