Elucidating CO2 Chemisorption in Diamine-Appended Metal–Organic Frameworks

氨基甲酸 二胺 化学吸附 物理吸附 吸附 化学 乙二胺 金属有机骨架 结晶度 范德瓦尔斯力 有机化学 无机化学 分子 高分子化学 结晶学
作者
Alexander C. Forse,Phillip J. Milner,Jung‐Hoon Lee,Halle N. Redfearn,Julia Oktawiec,Rebecca L. Siegelman,Jeffrey D. Martell,Bhavish Dinakar,Leo B. Porter-Zasada,Miguel I. Gonzalez,Jeffrey B. Neaton,Jeffrey R. Long,Jeffrey A. Reimer
出处
期刊: 被引量:6
标识
DOI:10.26434/chemrxiv.7106318.v2
摘要

The widespread deployment of carbon capture and sequestration as a climate change mitigation strategy could be facilitated by the development of more energy-efficient adsorbents. Diamine-appended metal–organic frameworks of the type diamine–M2(dobpdc) (M = Mg, Mn, Fe, Co, Ni, Zn; dobpdc4− = 4,4′-dioxidobiphenyl-3,3′-dicarboxylate) have shown promise for carbon capture applications, although questions remain regarding the molecular mechanisms of CO2 uptake in these materials. Here, we leverage the crystallinity and tunability of this class of frameworks to perform a comprehensive study of CO2 chemisorption. Using multinuclear nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy experiments and van der Waals-corrected density functional theory (DFT) calculations for thirteen diamine–M2(dobpdc) variants, we demonstrate that the canonical CO2 chemisorption products—ammonium carbamate chains and carbamic acid pairs—can be readily distinguished, and that ammonium carbamate chain formation dominates for diamine–Mg2(dobpdc) materials. In addition, we elucidate a new chemisorption mechanism in the material dmpn Mg2(dobpdc) (dmpn = 2,2-dimethyl-1,3-diaminopropane), which involves formation of a 1:1 mixture of ammonium carbamate and carbamic acid and accounts for the unusual adsorption properties of this material. Finally, we show that the presence of water plays an important role in directing the mechanisms for CO2 uptake in diamine–M2(dobpdc) materials. Overall, our combined NMR and DFT approach enables a thorough depiction and understanding of CO2 adsorption within diamine–M2(dobpdc) compounds, which may aid similar studies in other amine-functionalized adsorbents in the future.

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