Multiple-Site Engineered Metal–Organic Frameworks for Efficient One-Step Separation of Methanol-to-Olefin Products and Natural Gas

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作者
Jianfei Xiao,Zhenliang Zhu,Yu Huang,Ruiyao Li,Shaojun Yuan
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:18 (3): 5180-5193
标识
DOI:10.1021/acsami.5c19531
摘要

Efficient one-step adsorption separation of light hydrocarbons (LHs) from methanol-to-olefin products and natural gas is highly desirable in the petrochemical industry. However, designing adsorbents that simultaneously achieve high selectivity and capacity remains a critical challenge. Here, we report a microporous Zn-based metal-organic framework (MAC-4-F) decorated with electronegative O, N, and F trifunctional sites, which markedly enhance host-guest interactions for the selective recognition of multi-C-H-bond gases such as C3H6 and C3H8. The well-defined pore environment (∼4.2 Å) and high surface area (1295.8 m2·g-1) endow MAC-4-F with outstanding adsorption capacities of 5.0 and 4.7 mmol·g-1 for C3H6 and C3H8, respectively, at 298 K and 100 kPa, together with high IAST selectivity values of 9.8 (C3H6/C2H4), 15.4 (C2H6/CH4), and 91.6 (C3H8/CH4). Dynamic breakthrough-desorption experiments further confirm its ability to produce high-purity C2H4 (46.9 L·kg-1) and enrich C3H6 (13.3 L·kg-1) in a single step, as well as recover high-purity CH4 (349.5 L·kg-1) and C3H8 (18.6 L·kg-1) from light alkane mixtures. Moreover, MAC-4-F exhibits excellent moisture stability and recyclability. Theoretical calculations reveal that the N-O-F sites reinforce multiple interactions (C-H···F/O/N, C···O-H, and C-H···π) with target molecules. Overall, this work demonstrates MAC-4-F as a highly competitive dual-function adsorbent for olefin or alkane separation from LHs, while providing new insights into the design of MOFs with electronegative-rich functional sites to overcome the capacity-selectivity trade-off in LH separation.

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