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Metal–Organic Framework Based Hydrogen-Bonding Nanotrap for Efficient Acetylene Storage and Separation

等结构 乙炔 化学 金属有机骨架 氢气储存 吸附 选择性 分子 化学工程 氢键 物理化学 有机化学 催化作用 晶体结构 工程类
作者
Yingxiang Ye,Shikai Xian,Hui Cui,Kui Tan,Lingshan Gong,Bin Liang,Tony Pham,Haardik Pandey,Rajamani Krishna,Pui Ching Lan,Katherine A. Forrest,Brian Space,Timo Thonhauser,Jing Li,Shengqian Ma
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (4): 1681-1689 被引量:313
标识
DOI:10.1021/jacs.1c10620
摘要

The removal of carbon dioxide (CO2) from acetylene (C2H2) is a critical industrial process for manufacturing high-purity C2H2. However, it remains challenging to address the tradeoff between adsorption capacity and selectivity, on account of their similar physical properties and molecular sizes. To overcome this difficulty, here we report a novel strategy involving the regulation of a hydrogen-bonding nanotrap on the pore surface to promote the separation of C2H2/CO2 mixtures in three isostructural metal-organic frameworks (MOFs, named MIL-160, CAU-10H, and CAU-23, respectively). Among them, MIL-160, which has abundant hydrogen-bonding acceptors as nanotraps, can selectively capture acetylene molecules and demonstrates an ultrahigh C2H2 storage capacity (191 cm3 g-1, or 213 cm3 cm-3) but much less CO2 uptake (90 cm3 g-1) under ambient conditions. The C2H2 adsorption amount of MIL-160 is remarkably higher than those for the other two isostructural MOFs (86 and 119 cm3 g-1 for CAU-10H and CAU-23, respectively) under the same conditions. More importantly, both simulation and experimental breakthrough results show that MIL-160 sets a new benchmark for equimolar C2H2/CO2 separation in terms of the separation potential (Δqbreak = 5.02 mol/kg) and C2H2 productivity (6.8 mol/kg). In addition, in situ FT-IR experiments and computational modeling further reveal that the unique host-guest multiple hydrogen-bonding interaction between the nanotrap and C2H2 is the key factor for achieving the extraordinary acetylene storage capacity and superior C2H2/CO2 selectivity. This work provides a novel and powerful approach to address the tradeoff of this extremely challenging gas separation.
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