Local Coordination Environment of Lanthanides Adsorbed onto Cr- and Zr-based Metal–Organic Frameworks

镧系元素 金属有机骨架 吸附 材料科学 金属 无机化学 配位复合体 化学工程 纳米技术 离子 化学 物理化学 有机化学 工程类 冶金
作者
Anastasia Ilgen,R. Eric Sikma,Dorina F. Sava Gallis,Kevin Leung,Cheng‐Jun Sun,Boyoung Song,Kadie M. M. Sanchez,Jacob Smith
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (36): 48536-48546
标识
DOI:10.1021/acsami.4c09445
摘要

Separating individual lanthanide (Ln) elements in aqueous mixtures is challenging. Ion-selective capture by porous materials, such as metal-organic frameworks (MOFs), is a promising approach. To design ion-selective MOFs, molecular details of the Ln adsorption complexes within the MOFs must be understood. We determine the local coordination environment of lanthanides Nd(III), Gd(III), and Lu(III) adsorbed onto Cr(III)-based terephthalate MOF (Cr-MIL-101) and Zr(IV)-based Universitet in Oslo MOFs (UiO-66 and UiO-68) and their derivatives. In the Cr(III)- and Zr(IV)-based MOFs, Ln adsorb as inner-sphere complexes at the metal oxo clusters, regardless of whether the organic linkers are decorated with amino groups. Missing linkers result in favorable Ln binding sites at oxo clusters; however, Ln can coordinate to metal sites even with linkers in place. MOF functionalization with phosphonate groups led to Ln chemisorption onto these groups, which out-compete metal cluster sites. Ln form monodentate and bidentate and mononuclear and binuclear surface complexes. We conclude that MOFs for ion-selective Ln capture can be designed by a combination of (1) maximizing metal-lanthanide interactions via shared O atoms at the metal oxo cluster sites, where mixed oxo clusters can lead to ion-selective Ln adsorption, and (2) functionalizing MOFs with Ln-selective groups capable of out-completing the metal oxo cluster sites.
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