Selective nitrogen adsorption via backbonding in a metal–organic framework with exposed vanadium sites

吸附 化学 金属有机骨架 选择性 烯烃纤维 金属 分子 无机化学 多孔性 过渡金属 选择性吸附 组合化学 化学工程 材料科学 有机化学 催化作用 工程类
作者
David E. Jaramillo,Douglas A. Reed,Henry Z. H. Jiang,Julia Oktawiec,Michael W. Mara,Alexander C. Forse,Daniel J. Lussier,Ryan A. Murphy,Marc Cunningham,Valentina Colombo,David K. Shuh,Jeffrey A. Reimer,Jeffrey R. Long
出处
期刊:Nature Materials [Springer Nature]
卷期号:19 (5): 517-521 被引量:146
标识
DOI:10.1038/s41563-019-0597-8
摘要

Industrial processes prominently feature π-acidic gases, and an adsorbent capable of selectively interacting with these molecules could enable important chemical separations1–4. Biological systems use accessible, reducing metal centres to bind and activate weakly π-acidic species, such as N2, through backbonding interactions5–7, and incorporating analogous moieties into a porous material should give rise to a similar adsorption mechanism for these gaseous substrates8. Here, we report a metal–organic framework featuring exposed vanadium(ii) centres capable of back-donating electron density to weak π acids to successfully target π acidity for separation applications. This adsorption mechanism, together with a high concentration of available adsorption sites, results in record N2 capacities and selectivities for the removal of N2 from mixtures with CH4, while further enabling olefin/paraffin separations at elevated temperatures. Ultimately, incorporating such π-basic metal centres into porous materials offers a handle for capturing and activating key molecular species within next-generation adsorbents. Nitrogenases use transition metals to selectively capture weak π acids such as N2 by employing backbonding interactions. Here, a metal–organic framework with exposed vanadium sites is presented that uses this approach for selective capture of N2 from CH4, with impressive selectivity and capacity.
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