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Modulator-Dependent Dynamics Synergistically Enabled Record SO2 Uptake in Zr(IV) Metal–Organic Frameworks Based on Pyrene-Cored Molecular Quadripod Ligand

化学 吸附 配体(生物化学) 金属有机骨架 等结构 芳基 化学工程 组合化学 有机化学 吸附 晶体结构 生物化学 工程类 受体 烷基
作者
Wei Gong,Yi Xie,Akihito Yamano,Shô Itô,Xianhui Tang,Eric W. Reinheimer,Christos D. Malliakas,Jinqiao Dong,Yong Cui,Omar K. Farha
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (49): 26890-26899
标识
DOI:10.1021/jacs.3c09648
摘要

Developing innovative porous solid sorbents for the capture and storage of toxic SO2 is crucial for energy-efficient transportation and subsequent processing. Nonetheless, the quest for high-performance SO2 sorbents, characterized by exceptional uptake capacity, minimal regeneration energy requirements, and outstanding recyclability under ambient conditions, remains a significant challenge. In this study, we present the design of a unique tertiary amine-embedded, pyrene-based quadripod-shaped ligand. This ligand is then assembled into a highly porous Zr-metal–organic framework (MOF) denoted as Zr-TPA, which exhibits a newly discovered 3,4,8-c woy net structure. Remarkably, our Zr-TPA MOF achieved an unprecedented SO2 sorption capacity of 22.7 mmol g–1 at 298 K and 1 bar, surpassing those of all previously reported solid sorbents. We elucidated the distinct SO2 sorption behaviors observed in isostructural Zr-TPA variants synthesized with different capping modulators (formate, acetate, benzoate, and trifluoroacetate, abbreviated as FA, HAc, BA, and TFA, respectively) through computational analyses. These analyses revealed unexpected SO2-induced modulator–node dynamics, resulting in transient chemisorption that enhanced synergistic SO2 sorption. Additionally, we conducted a proof-of-concept experiment demonstrating that the captured SO2 in Zr-TPA-FA can be converted in situ into a valuable pharmaceutical intermediate known as aryl N-aminosulfonamide, with a high yield and excellent recyclability. This highlights the potential of robust Zr-MOFs for storing SO2 in catalytic applications. In summary, this work contributes significantly to the development of efficient SO2 solid sorbents and advances our understanding of the molecular mechanisms underlying SO2 sorption in Zr-MOF materials.
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