Fast Gas‐Adsorption Kinetics in Supraparticle‐Based MOF Packings with Hierarchical Porosity

材料科学 动力学 吸附 多孔性 化学工程 物理化学 复合材料 化学 量子力学 物理 工程类
作者
Atsushi Fujiwara,Junwei Wang,Shotaro Hiraide,Allison Götz,Minoru T. Miyahara,Martin Hartmann,Benjamin Apeleo Zubiri,Erdmann Spiecker,Nicolas Vogel,Satoshi Watanabe
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:35 (44): e2305980-e2305980 被引量:81
标识
DOI:10.1002/adma.202305980
摘要

Metal-organic frameworks (MOFs) are microporous adsorbents for high-throughput gas separation. Such materials exhibit distinct adsorption characteristics owing to the flexibility of the crystal framework in a nanoparticle, which can be different from its bulk crystal. However, for practical applications, such particles need to be compacted into macroscopic pellets, creating mass-transport limitations. In this work, this problem is addressed by forming materials with structural hierarchy, using a supraparticle-based approach. Spherical supraparticles composed of nanosized MOF particles are fabricated by emulsion templating and they are used as the structural component forming a macroscopic material. Zeolitic imidazolate framework-8 (ZIF-8) particles are used as a model system and the gas-adsorption kinetics of the hierarchical material are compared with conventional pellets without structural hierarchy. It is demonstrated that a pellet packed with supraparticles exhibits a 30 times faster adsorption rate compared to an unstructured ZIF-8 powder pellet. These results underline the importance of controlling structural hierarchy to maximize the performance of existing materials. In the hierarchical MOFs, large macropores between the supraparticles, smaller macropores between individual ZIF-8 primary particles, and micropores inherent to the ZIF-8 framework collude to combine large surface area, defined adsorption sites, and efficient mass transport to enhance performance.
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