Design of Pore Properties of an Al-Based Metal–Organic Framework for the Separation of an Ethane/Ethylene Gas Mixture via Ethane-Selective Adsorption

间苯二甲酸 材料科学 吸附 选择性 吡啶 多孔性 杂原子 乙烯 对苯二甲酸 金属有机骨架 化学工程 戒指(化学) 有机化学 化学 复合材料 催化作用 工程类 聚酯纤维
作者
Kyung Ho Cho,Ji Woong Yoon,Jeong Hyeon Lee,Jin Chul Kim,Donghui Jo,Jaedeuk Park,Su‐Kyung Lee,Sang Kyu Kwak,U‐Hwang Lee
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (25): 30975-30984 被引量:25
标识
DOI:10.1021/acsami.3c03971
摘要

A series of Al-based isomorphs (CAU-10H, MIL-160, KMF-1, and CAU-10pydc) were synthesized using isophthalic acid (ipa), 2,5-furandicarboxylic acid (fdc), 2,5-pyrrole dicarboxylic acid (pyrdc), and 3,5-pyridinedicarboxylic acid (pydc), respectively. These isomorphs were systematically investigated to identify the best adsorbent for effectively separating C2H6/C2H4. All CAU-10 isomorphs exhibited preferential adsorption of C2H6 over that of C2H4 in mixture. CAU-10pydc exhibited the best C2H6/C2H4 selectivity (1.68) and the highest C2H6 uptake (3.97 mmol g–1) at 298 K and 1 bar. In the breakthrough experiment using CAU-10pydc, 1/1 (v/v) and 1/15 (v/v) C2H6/C2H4 gas mixtures were successfully separated into high-purity C2H4 (>99.95%), with remarkable productivities of 14.0 LSTP kg–1 and 32.0 LSTP kg–1, respectively, at 298 K. Molecular simulations revealed that the exceptional separation performance of CAU-10pydc originated from the increased porosity and reduced electron density of the pyridine ring of pydc, leading to a relatively larger decrease in π–π interactions with C2H4 than in the C–H···π interactions with C2H6. This study demonstrates that the pore size and geometry of the CAU-10 platform are modulated by the inclusion of heteroatom-containing benzene dicarboxylate or heterocyclic rings of dicarboxylate-based organic linkers, thereby fine-tuning the C2H6/C2H4 separation ability. CAU-10pydc was determined to be an optimum adsorbent for this challenging separation.
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