Understanding Water Adsorption and the Impact on CO2 Capture in Chemically Stable Covalent Organic Frameworks

吸附 单层 土壤孔隙空间特征 共价键 成核 化学工程 化学 疏水 材料科学 位阻效应 分子 纳米技术 有机化学 多孔性 工程类
作者
Yuxin Ge,Hao Zhou,Yujin Ji,Lifeng Ding,Yuanyuan Cheng,Ruiyao Wang,Siyuan Yang,Yufeng Liu,Xiaoyu Wu,Youyong Li
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:122 (48): 27495-27506 被引量:56
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.8b09033
摘要

In this work, a diverse set of chemically stable covalent organic frameworks (COFs) has been studied to understand their water adsorption behavior and how water adsorption will affect CO2 capture performance in the COFs using grand canonical Monte Carlo (GCMC) simulations. Our results revealed three different types of water adsorption behavior in the COFs: (1) initial small water cluster formation was followed by early monolayer coverage in COFs with a smooth hydrophilic surface, such as TpPa-1, TpPa-NO2, and DAAQ-TFP; (2) hydrophobic functional groups presented in the hydrophilic surface of the COFs, such as COF-42, COF-43, and TpBD, could disrupt the water monolayer formation, which would delay the pore filling of water in the COFs; and (3) instantaneous pore filling of water molecules could happen without any nucleation stage for COFs with relatively small pores, such as NPN-COFs. In general, hydrophilic surface and small pore sizes are two good features for COFs to be used in water adsorption applications at low relative humidity (RH). Geometric steric effect may disrupt the pore filling of water in COFs. On the other hand, NPN-COFs provide good CO2 capture performance and water tolerance to a low RH (p/p0 = 0.1) due to their small pores with hydrophobic surface. It is also exciting to find out that CO2 capture in COF-300 can tolerate a high RH of 0.8 due to its superhydrophobic surface and the unique interplanar space for CO2 uptake.
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