Role of Structural Defects in the Adsorption and Separation of C3 Hydrocarbons in Zr-Fumarate-MOF (MOF-801)

丙烷 吸附 金属有机骨架 扩散 气体分离 化学工程 沸点 材料科学 石油化工 化学 热力学 微型多孔材料 催化作用 选择性 有机化学 工程类 生物化学 物理
作者
Paul Iacomi,Filip Formalik,João Marreiros,Jin Shang,Justyna Rogacka,Alexander Mohmeyer,Peter Behrens,Rob Ameloot,Bogdan Kuchta,Philip L. Llewellyn
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:31 (20): 8413-8423 被引量:103
标识
DOI:10.1021/acs.chemmater.9b02322
摘要

An effective separation of propylene/propane mixtures is one of the most important processes in the petrochemical industry. Incidentally, this separation is challenging due to the extensive similarities between both gases in terms of physicochemical properties such as, but not only limited to, boiling point, kinetic diameter, and molecular weight. A drive to switch to energy efficient processes, like adsorption or membrane separation, has highlighted several microporous metal organic frameworks as promising materials. In this work, we present a combined numerical and experimental investigation on propane and propylene adsorption in Zr-fumarate-MOF (also known as MOF-801), a small pore isoreticular analogue of UiO-66. Here, we demonstrate how the presence of structural defects can completely change the sorptive properties and separation performance of the Zr-fumarate-MOF, with the loss of sieving effects and a reversal of selectivity toward propane, as well as enhanced capacity and diffusion rates for C3-sized hydrocarbons. Extensive GCMC simulations performed on mixed defective supercells show that a ratio of missing-cluster defects of around 1/8 can best account for the experimental results. Furthermore, analysis of low-frequency phonon spectra is used to explain gaseous diffusion in the original pristine material. Finally, the thermodynamic preference for propane over propylene is confirmed through column breakthrough experiments, suggesting the potential applicability of the Zr-fumarate-MOF in this challenging separation.
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