Pore Space Partition Enabled by Lithium(I) Chelation of a Metal–Organic Framework for Benchmark C2H2/CO2 Separation

化学 选择性 吸附 乙炔 螯合作用 锂(药物) 气体分离 离子 分配系数 微型多孔材料 无机化学 物理化学 有机化学 内分泌学 催化作用 医学 生物化学
作者
You‐Zeng Hao,Kai Shao,Xu Zhang,Yihong Yu,Di Liu,Hui‐Min Wen,Yuanjing Cui,Bin Li,Banglin Chen,Guodong Qian
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (13): 11257-11266 被引量:33
标识
DOI:10.1021/jacs.4c18209
摘要

Adsorptive separation of acetylene (C2H2) from carbon dioxide (CO2) offers a promising approach to purify C2H2 with low-energy footprints. However, the development of ideal adsorbents with simultaneous high C2H2 adsorption and selectivity remains a great challenge due to their very small molecular sizes and physical properties. Herein, we report a lithium(I)-chelation strategy for pore space partition (PSP) in a microporous MOF (Li+@NOTT-101-(COOH)2) to achieve simultaneous high C2H2 uptake and selectivity. The chelation model of Li+ ions within the framework was visually identified by single-crystal X-ray diffraction studies. The immobilized Li+ ions were found to have two functions: (1) partitioning large pore cages into smaller ones while maintaining high surface area and (2) providing specific binding sites to selectively take up C2H2 over CO2. The resulting Li+@NOTT-101-(COOH)2 exhibits a rare combination of a simultaneous high C2H2 capture capacity (205 cm3 g-1) and C2H2/CO2 selectivity (13) at ambient conditions, far surpassing that of NOTT-101-(COOH)2 (148 cm3 g-1 and 3.8, respectively) and most top-tier materials reported. Theoretical calculations and gas-loaded SCXRD studies reveal that the chelated Li+ ions combined with the segmented small cages can selectively bind with a large amount of C2H2 through the unique π-complexation, accounting for the improved C2H2 uptake and selectivity. Breakthrough experiments validated its excellent separation capacity for actual C2H2/CO2 mixtures, providing one of the highest C2H2 productivities of 118.9 L kg-1 (>99.5% purity) in a single adsorption-desorption cycle.
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