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

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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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