Mapping the Cu-BTC metal–organic framework (HKUST-1) stability envelope in the presence of water vapour for CO2 adsorption from flue gases

吸附 烟气 金属有机骨架 水蒸气 多孔性 热液循环 相对湿度 化学 化学工程 湿度 水分 材料科学 热力学 复合材料 有机化学 工程类 物理
作者
Nadeen Al‐Janabi,Patrick Hill,Laura Torrente‐Murciano,Arthur Garforth,Patricia Gorgojo,Flor R. Siperstein,Xiaolei Fan
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier]
卷期号:281: 669-677 被引量:315
标识
DOI:10.1016/j.cej.2015.07.020
摘要

Cu-BTC metal–organic framework (HKUST-1) was evaluated as the model material for CO2 capture from flue gas streams. This paper presents an optimised hydrothermal synthesis of HKUST-1 and an analysis of water stability of HKUST-1. Substantial improvements of the hydrothermal synthesis process of HKUST-1 are shown to increase the quantitative yield up to 89.4% at 100 °C. Single-component adsorption experiments were carried out under conditions relevant for flue gases adsorption (45–60 °C, 0–1 barG) to evaluate the performance of HKUST-1 in terms of adsorption capacity, showing that the amount adsorbed of water can reach up to 21.7 mmol g−1, about one order of magnitude higher than CO2 (1.75 mmol g−1) and almost two orders of magnitude higher than N2 (0.17 mmol g−1). The hydration process of HKUST-1 framework was investigated using dynamic vapour adsorption under the flue gas emitting conditions. HKUST-1 is sensitive to humid streams and dynamic deformation of its porous structure takes place at 40–50 °C and various relative humidity values, leading to the irreversible decomposition of HKUST-1 framework and the consequent deterioration in its adsorption capacity. Under humid conditions, water displaces the organic linkers from the copper centres causing the collapse of HKUST-1 framework. These results provide fundamental knowledge to enable future material design for the modification of the hydrophilic nature of copper sites in HKUST-1 to improve its moisture stability.
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