Selective Binding of O2 over N2 in a Redox–Active Metal–Organic Framework with Open Iron(II) Coordination Sites

化学 吸附 金属 分子 氧化还原 金属有机骨架 甲醇 结晶学 分析化学(期刊) 无机化学 物理化学 有机化学
作者
Eric D. Bloch,Leslie J. Murray,Wendy L. Queen,Sachin Chavan,Sergey N. Maximoff,J.P. Bigi,Rajamani Krishna,Vanessa K. Peterson,Fernande Grandjean,Gary J. Long,Berend Smit,Silvia Bordiga,Craig M. Brown,Jeffrey R. Long
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:133 (37): 14814-14822 被引量:500
标识
DOI:10.1021/ja205976v
摘要

The air-free reaction between FeCl(2) and H(4)dobdc (dobdc(4-) = 2,5-dioxido-1,4-benzenedicarboxylate) in a mixture of N,N-dimethylformamide (DMF) and methanol affords Fe(2)(dobdc)·4DMF, a metal-organic framework adopting the MOF-74 (or CPO-27) structure type. The desolvated form of this material displays a Brunauer-Emmett-Teller (BET) surface area of 1360 m(2)/g and features a hexagonal array of one-dimensional channels lined with coordinatively unsaturated Fe(II) centers. Gas adsorption isotherms at 298 K indicate that Fe(2)(dobdc) binds O(2) preferentially over N(2), with an irreversible capacity of 9.3 wt %, corresponding to the adsorption of one O(2) molecule per two iron centers. Remarkably, at 211 K, O(2) uptake is fully reversible and the capacity increases to 18.2 wt %, corresponding to the adsorption of one O(2) molecule per iron center. Mössbauer and infrared spectra are consistent with partial charge transfer from iron(II) to O(2) at low temperature and complete charge transfer to form iron(III) and O(2)(2-) at room temperature. The results of Rietveld analyses of powder neutron diffraction data (4 K) confirm this interpretation, revealing O(2) bound to iron in a symmetric side-on mode with d(O-O) = 1.25(1) Å at low temperature and in a slipped side-on mode with d(O-O) = 1.6(1) Å when oxidized at room temperature. Application of ideal adsorbed solution theory in simulating breakthrough curves shows Fe(2)(dobdc) to be a promising material for the separation of O(2) from air at temperatures well above those currently employed in industrial settings.
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