A Copper-Based Metal–Organic Framework for Selective Separation of C2 Hydrocarbons from Methane at Ambient Conditions: Experiment and Simulation

化学 甲烷 吸附 乙炔 炔烃 乙烯 碳氢化合物 金属 碳氢化合物混合物 烷烃 金属有机骨架 物理化学 有机化学 催化作用
作者
Sheikh M. S. Islam,Rashida Yasmeen,Gaurav Verma,Sammer M. Tekarli,Vladimir N. Nesterov,Shengqian Ma,Mohammad A. Omary
出处
期刊:Inorganic Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:63 (19): 8664-8673 被引量:5
标识
DOI:10.1021/acs.inorgchem.4c00188
摘要

C2 hydrocarbon separation from methane represents a technological challenge for natural gas upgrading. Herein, we report a new metal–organic framework, [Cu2L(DEF)2]·2DEF (UNT-14; H4L = 4,4′,4″,4‴-((1E,1′E,1″E,1‴E)-benzene-1,2,4,5-tetrayltetrakis(ethene-2,1-diyl))tetrabenzoic acid; DEF = N,N-diethylformamide; UNT = University of North Texas). The linker design will potentially increase the surface area and adsorption energy owing to π(hydrocarbon)−π(linker)/M interactions, hence increasing C2 hydrocarbon/CH4 separation. Crystallographic data unravel an sql topology for UNT-14, whereby [Cu2(COO)4]···[L]4– paddle-wheel units afford two-dimensional porous sheets. Activated UNT-14a exhibits moderate porosity with an experimental Brunauer–Emmett–Teller (BET) surface area of 480 m2 g–1 (vs 1868 m2 g–1 from the crystallographic data). UNT-14a exhibits considerable C2 uptake capacity under ambient conditions vs CH4. GCMC simulations reveal higher isosteric heats of adsorption (Qst) and Henry's coefficients (KH) for UNT-14a vs related literature MOFs. Ideal adsorbed solution theory yields favorable adsorption selectivity of UNT-14a for equimolar C2Hn/CH4 gas mixtures, attaining 31.1, 11.9, and 14.8 for equimolar mixtures of C2H6/CH4, C2H4/CH4, and C2H2/CH4, respectively, manifesting efficient C2 hydrocarbon/CH4 separation. The highest C2 uptake and Qst being for ethane are also desirable technologically; it is attributed to the greatest number of "agostic" or other dispersion C–H bond interactions (6) vs 4/2/4 for ethylene/acetylene/methane.
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