CO2-Based Stable Porous Metal–Organic Frameworks for CO2 Utilization

化学 金属有机骨架 多孔性 结晶度 沸石咪唑盐骨架 催化作用 化学工程 碳纤维 无机化学 纳米技术 材料科学 结晶学 有机化学 吸附 复合数 复合材料 工程类
作者
Bo Song,Yuhang Liang,Yi Zhou,Liang Zhang,He Li,Neng‐Xiu Zhu,Ben Zhong Tang,Dan Zhao,Bin Liu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (21): 14835-14843 被引量:53
标识
DOI:10.1021/jacs.4c03476
摘要

The transformation of carbon dioxide (CO2) into functional materials has garnered considerable worldwide interest. Metal-organic frameworks (MOFs), as a distinctive class of materials, have made great contributions to CO2 capture and conversion. However, facile conversion of CO2 to stable porous MOFs for CO2 utilization remains unexplored. Herein, we present a facile methodology of using CO2 to synthesize stable zirconium-based MOFs. Two zirconium-based MOFs CO2-Zr-DEP and CO2-Zr-DEDP with face-centered cubic topology were obtained via a sequential desilylation-carboxylation-coordination reaction. The MOFs exhibit excellent crystallinity, as verified through powder X-ray diffraction and high-resolution transmission electron microscopy analyses. They also have notable porosity with high surface area (SBET up to 3688 m2 g-1) and good CO2 adsorption capacity (up to 12.5 wt %). The resulting MOFs have abundant alkyne functional moieties, confirmed through 13C cross-polarization/magic angle spinning nuclear magnetic resonance and Fourier transform infrared spectra. Leveraging the catalytic prowess of Ag(I) in diverse CO2-involved reactions, we incorporated Ag(I) into zirconium-based MOFs, capitalizing on their interactions with carbon-carbon π-bonds of alkynes, thereby forming a heterogeneous catalyst. This catalyst demonstrates outstanding efficiency in catalyzing the conversion of CO2 and propargylic alcohols into cyclic carbonates, achieving >99% yield at room temperature and atmospheric pressure conditions. Thus, this work provides a dual CO2 utilization strategy, encompassing the synthesis of CO2-based MOFs (20-24 wt % from CO2) and their subsequent application in CO2 capture and conversion processes. This approach significantly enhances overall CO2 utilization.
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