Insertion of CO 2 in metal ion-doped two-dimensional covalent organic frameworks

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作者
Chengjun Kang,Zhaoqiang Zhang,Shibo Xi,He Li,Adam K. Usadi,David C. Calabro,Lisa Saunders Baugh,Yuxiang Wang,Dan Zhao
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:120 (9): e2217081120-e2217081120 被引量:30
标识
DOI:10.1073/pnas.2217081120
摘要

Carbon capture is one of the essential low-carbon technologies required to achieve societal climate goals at the lowest cost. Covalent organic frameworks (COFs) are promising adsorbents for CO2 capture because of their well-defined porosity, large surface area, and high stability. Current COF-based CO2 capture is mainly based on a physisorption mechanism, exhibiting smooth and reversible sorption isotherms. In the present study, we report unusual CO2 sorption isotherms featuring one or more tunable hysteresis steps with metal ion (Fe3+, Cr3+, or In3+)-doped Schiff-base two-dimensional (2D) COFs (Py-1P, Py-TT, and Py-Py) as adsorbents. Synchrotron X-ray diffraction, spectroscopic and computational studies indicate that the sharp adsorption steps in the isotherm originate from the insertion of CO2 between the metal ion and the N atom of the imine bond on the inner pore surface of the COFs as the CO2 pressure reaches threshold values. As a result, the CO2 adsorption capacity of the ion-doped Py-1P COF is increased by 89.5% compared with that of the undoped Py-1P COF. This CO2 sorption mechanism provides an efficient and straightforward approach to enhancing the CO2 capture capacity of COF-based adsorbents, yielding insights into developing chemistry for CO2 capture and conversion.
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