【材料】金属-有机框架中调节剂引导的反直觉穿插控制实现创纪录SO2吸附容量

学术   2024-11-23 08:11   北京  


二氧化硫(SO2)作为一种主要由人类活动产生的空气污染物,造成了严重的环境恶化,并对人类健康构成重大威胁。但从另一方面来说,SO2也是一种重要的工业原材料,可用于生产硫磺、硫酸以及其他一些高附加值的含硫化学品。因此,开发用于捕获和储存有毒SO2气体的多孔固体吸附剂材料对于节能运输和后续安全利用至关重要。然而,合成在合适工况下具有卓越的SO2捕获能力、较低的再生能源需求以及出色的可循化学的理想吸附剂材料仍然是一个重大挑战。

在该工作中,上海交通大学巩伟副教授和崔勇教授团队报道了通过在金属-有机框架合成过程中对酸性调节剂的控制,发现了反直觉的调节剂诱导穿插现象。和以往观察到的调节剂通过配位竞争促进框架发生结构穿插,从而有利于形成热力学产物不同;在该体系中,作者观察到了在低浓度调节剂条件下,确实形成了三重穿插的热力学产物SJTU-219;然而,随着调节剂浓度的持续增大,导致了非穿插、高孔隙和高稳定的非穿插产物SJTU-220的形成。作者通过控制实验推测可能是由于较高的调节剂浓度促进了互穿晶格中间体的有效溶解,抑制了其热力学组装路径,从而形成了动力学产物。


进一步研究表明所制备的非穿插acs拓扑结构的MOF材料SJTU-220在常温条件下表现出了对SO2极高的吸附容量和循环稳定性,达到29.6 mmol/g;通过将金属中心置换成动力学更惰性的Cr3+,可以进一步提高材料的刚性,从而提升其有效孔体积。相应地,其SO2吸附容量提升到了35.6 mmol/g,相比自由SO2气体,通过吸附剂可将其体积压缩达329倍,远超已经报道的所有固体材料包括MOFs、COFs、Cages以及多孔聚合物等。该材料在常温常压下优异的SO2吸附性能和低压下较低的SO2吸附容量为实现固体吸附剂在低能耗SO2储存、运输和利用方面提供了可能。

该工作不仅实现了具有超高SO2吸附和低能耗脱附行为的多孔吸附剂制备,而且提供了一个新颖的合成策略,即通过使用高浓度调节剂调控结晶动力学和热力学路径,有效控制框架穿插行为,从而实现对材料孔隙和功能的有效调控。

这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上。

原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面):
Modulator-Directed Counterintuitive Catenation Control for Crafting Highly Porous and Robust Metal–Organic Frameworks with Record High SO2 Uptake Capacity
Wei Gong*, Pengfu Gao, Yifei Gao, Yi Xie, Jingjing Zhang, Xianhui Tang, Kun Wang, Xiaoliang Wang, Xing Han, Zhijie Chen, Jinqiao Dong, Yong Cui*
J. Am. Chem. Soc., 2024, DOI: 10.1021/jacs.4c10723


导师介绍
巩伟
https://www.x-mol.com/university/faculty/378269
崔勇
https://www.x-mol.com/university/faculty/12609
https://chiro.sjtu.edu.cn/cuigroup_cn/



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