Ultrastable Hydrogen‐Bonded Organic Framework for Efficient CO 2 /CH 4 Separation in Humid Environments

堆积 化学 氢键 化学工程 醛 吸附 分子 苯 盐酸 多孔性 水分 金属有机骨架 氢氧化钠 羧酸 疏水效应 倍半硅氧烷 沸腾 多孔介质 溶剂 氢 有机化学 甲烷 解吸 介孔材料 可重用性 化学稳定性 苦味酸 选择性 腈
作者
Shuai Zhang,Jingru Fu,Maochun Yang,Dan Li,Yue Feng,Yifan Xie,Yayu Lv,Teng Ben,Banglin Chen
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
标识
DOI:10.1002/ange.2076718
摘要

ABSTRACT Selective CO 2 removal during methane purification is critical for energy‐efficient utilization. The development of porous adsorbents integrating ultrahigh structural stability, excellent separation capability, and moisture resistance represents a desirable yet challenging objective for upgrading natural gas. Unlike conventional synthesis strategies for hydrogen‑bonded organic frameworks (HOFs) that utilize strong hydrogen‐bonding groups such as carboxylic acid groups and 2,4‐diaminotriazine, this study employs aldehyde functionalities to construct a novel HOF (HFPTP‐HOF) with exceptional moisture resistance and ultrahigh stability. At 298 K and 1 atm, the material exhibits an IAST selectivity of 18.61 for equimolar CO 2 /CH 4 mixtures, representing the highest values among reported HOF materials. Dynamic breakthrough experiments confirm its ability to produce 99.99% pure CH 4 . More notably, the HOF adopts a distinctive interlayer stacking structure formed by synergistic interligand multiple C–H⋯O hydrogen bonding and interdigitation. This interlayer stacking architecture imparts remarkable stability to HFPTP‐HOF by encapsulating the hydrogen bonds responsible for framework formation within a hydrophobic barrier, which allows it to retain structural integrity even when immersed in 12 M hydrochloric acid at 50°C, 20 M sodium hydroxide at 100°C or boiling water for 7 days. To our knowledge, this stability exceeds those of all reported HOFs. In addition, within the HOF's pore channels, aldehyde groups and hydrophobic benzene rings are distributed on opposite sides of the pores. This spatial arrangement effectively prevents water molecule clustering within the pores, enabling HFPTP‐HOF to maintain outstanding CO 2 /CH 4 separation performance even under 90% RH. Overall, this work provides new insights into the design and synthesis of HOFs that combine ultrahigh stability with exceptional humidity‑resistant separation efficiency.
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