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Hierarchically Porous Bimetallic Dual-Metal–Organic Frameworks for Synergistic and Selective Adsorption of Thiophenic Sulfur: A Density Functional Theory-Validated Metal–Sulfur Coordination Mechanism

吸附 双金属片 化学工程 微型多孔材料 烟气脱硫 多孔性 X射线光电子能谱 材料科学 化学 水溶液 金属有机骨架 复合数 噻吩 密度泛函理论 双金属 选择性吸附 动力学 弗伦德利希方程 金属 扩散 比表面积 无机化学 硫黄 传质 催化作用 二苯并噻吩
作者
Qiaolan Yu,Zhouheng Xia,Xiaojing Zhou,Na Ma,Wei Dai
出处
期刊:Langmuir [American Chemical Society]
卷期号:41 (44): 29589-29605 被引量:6
标识
DOI:10.1021/acs.langmuir.5c03713
摘要

Owing to their uniform microporous structure, monometallic MOFs often suffer from an inherent trade-off between mass transfer resistance and adsorption capacity, making it challenging to integrate both high adsorption kinetics and large capacity within a single adsorbent. To address this issue, this study proposes a MOF@MOF design strategy based on the coupling of bimetallic synergy and hierarchical porosity effects, through which a (MIL-101(Cr))@(Zn-BTC) composite with a well-defined "micro-meso-macroporous" hierarchical architecture is successfully constructed. Batch adsorption experiments demonstrate that the composite achieves a high saturated adsorption capacity of 161 mg/g for thiophene sulfur (Thiophene-S) under ambient temperature and pressure. The adsorption kinetics follow the pseudo-second-order model, and the isotherm data are well fitted by the Freundlich equation, suggesting a multilayer adsorption mechanism. Notably, owing to the macroporous cavity structure of Zn-BTC, the composite exhibits significantly enhanced diffusion kinetics─within the same adsorption period, its adsorption capacity reaches twice that of pure MIL-101(Cr). Moreover, the material effectively retains its adsorption performance even after water treatment, alleviating the capacity attenuation commonly observed in conventional MOFs under aqueous conditions. Mechanistic studies reveal that the high desulfurization performance of (MIL-101(Cr))@(Zn-BTC) stems from the synergistic contributions of high specific surface area, metal-sulfur coordination, π-π interactions, and acid-base cooperative effects. Further insights from DFT calculations and XPS characterization indicate that the bimetallic synergy significantly narrows the HOMO-LUMO energy gap, thereby reducing the adsorption activation energy, while XPS confirms electron transfer from sulfur atoms in Thiophene-S to metal centers. This study provides a theoretical foundation and a material design strategy for developing bimetallic hierarchical porous adsorbents for desulfurization.
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