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Hydrophobic Metal–Organic Frameworks Enable Superior High-Pressure Ammonia Storage through Geometric Design

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作者
Mingyu Gu,Radhakrishnan Anbarasan,Ho-Jun Cho,Jinhyuk Choi Jinhyuk Choi,Cheongwon Bae,Duckjong Kim,Sang Yong Nam,Seth M. Cohen,Jae Hyun Park,Juyeong Kim
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (3): 3442-3454
标识
DOI:10.1021/jacs.5c18786
摘要

Hydrophobic metal–organic frameworks (MOFs) are typically overlooked for ammonia storage due to weak host–guest interactions. Here, we demonstrate that four structurally analogous aluminum-based MOFs exhibit a counterintuitive behavior whereby framework geometry, rather than ligand hydrophilicity, determines high-pressure NH3 adsorption performance. The hydrophobic CAU-23 achieved an exceptional capacity matching hydrophilic analogs despite its poor low-pressure uptake. This pressure-dependent enhancement stems from the unique 4-cis-4-trans geometry of CAU-23 compared to the purely cis arrangement of MIL-160 and KMF-1 and the alternating cis-trans configuration of MOF-303. Critically, CAU-23 retained 95% capacity over three high-pressure cycles, whereas hydrophilic MOFs suffered 39–46% irreversible losses due to strong NH3-framework interactions that compromise structural integrity. Grand canonical Monte Carlo simulations reveal that high pressure enables NH3 clustering through intermolecular hydrogen bonding, bypassing the need for strong host–guest interactions. High-pressure powder X-ray diffraction measurements confirm the exceptional mechanical resilience of CAU-23, showing complete structural recovery upon decompression despite exhibiting the highest pressure sensitivity among the studied MOFs. An extended analog, HE-CAU-23, validates this design principle with further enhanced capacity. These findings reveal a paradigm shift toward hydrophobic MOFs with optimized geometry for high-performance and regenerable gas storage applications.
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