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Creating Optimal Pockets in a Clathrochelate-Based Metal–Organic Framework for Gas Adsorption and Separation: Experimental and Computational Studies

化学 密度泛函理论 金属有机骨架 氙气 自然键轨道 吸附 巴(单位) 计算化学 物理化学 纳米技术 拓扑(电路) 化学物理 有机化学 物理 材料科学 气象学 组合数学 数学
作者
Wei Gong,Yi Xie,Thang Duc Pham,Suchetha Shetty,Florencia A. Son,Karam B. Idrees,Zhijie Chen,Haomiao Xie,Yan Liu,Randall Q. Snurr,Banglin Chen,Bassam Alameddine,Yong Cui,Omar K. Farha
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (8): 3737-3745 被引量:126
标识
DOI:10.1021/jacs.2c00011
摘要

The rational design and synthesis of robust metal–organic frameworks (MOFs) based on novel organic building blocks are fundamental aspects of reticular chemistry. Beyond simply fabricating new organic linkers, however, it is important to elucidate structure–property relationships at the molecular level to develop high-performing materials. In this work, we successfully targeted a highly porous and robust cage-type MOF (NU-200) with an nbo-derived fof topology through the deliberate assembly of a cyclohexane-functionalized iron(II)-clathrochelate-based meta-benzenedicarboxylate linker with a Cu2(CO2)4 secondary building unit (SBU). NU-200 exhibited an outstanding adsorption capacity of xenon and a high ideal adsorbed solution theory (IAST) predicted selectivity for a 20/80 v/v mixture of xenon (Xe)/krypton (Kr) at 298 K and 1.0 bar. Our extensive computational simulations with grand canonical Monte Carlo (GCMC) and density functional theory (DFT) on NU-200 indicated that the MOF's hierarchical bowl-shaped nanopockets surrounded by custom-designed cyclohexyl groups─instead of the conventionally believed open metal sites (OMSs)─played a crucial role in reinforcing Xe-binding affinity. The optimally sized pockets firmly trapped Xe through numerous supramolecular interactions including Xe···H, Xe···O, and Xe···π. Additionally, we validated the unique pocket confinement effect by experimentally and computationally employing the similarly sized probe, sulfur dioxide (SO2), which provided significant insights into the molecular underpinnings of the high uptake of SO2 (11.7 mmol g–1), especially at a low pressure of 0.1 bar (8.5 mmol g–1). This work therefore can facilitate the judicious design of organic building blocks, producing MOFs featuring tailor-made pockets to boost gas adsorption and separation performances.
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