Robust and Radiation-Resistant Hofmann-Type Metal–Organic Frameworks for Record Xenon/Krypton Separation

氙气 化学 吸附 金属 分析化学(期刊) 结晶学 物理化学 有机化学
作者
Jiyan Pei,Xiao‐Wen Gu,Congcong Liang,Banglin Chen,Bin Li,Guodong Qian
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (7): 3200-3209 被引量:162
标识
DOI:10.1021/jacs.1c12873
摘要

The discovery of high-performance adsorbents for highly efficient separation of xenon from krypton is an important but challenging task in the chemical industry due to their similar size and inert spherical nature. Herein, we report two robust and radiation-resistant Hofmann-type MOFs, Co(pyz)[Ni(CN)4] and Co(pyz)[Pd(CN)4] (termed as ZJU-74a-Ni and ZJU-74a-Pd), featuring oppositely adjacent open metal sites and perfect pore sizes (4.1 and 3.8 Å) comparable to the kinetic diameter of xenon (4.047 Å), affording the benchmark binding affinity for polarizable Xe gas. These materials thus exhibit both record-high Xe uptake capacities (89.3 and 98.4 cm3 cm–3 at 296 K and 0.2 bar) and Xe/Kr selectivities (74.1 and 103.4) at ambient conditions, all of which are the highest among all the state-of-the-art materials reported so far. The locations of Xe molecules within ZJU-74a-Ni have been visualized by single-crystal X-ray diffraction studies, in which two oppositely adjacent metal centers combined with the right aperture size can construct a unique sandwich-like binding site to offer unprecedented and ultrastrong Ni2+–Xe–Ni2+ interactions with xenon, thus leading to the record Xe capture capacity and selectivity. The excellent separation capacity of ZJU-74a-Pd was verified by breakthrough experiments for Xe/Kr gas mixtures, providing both unprecedentedly high xenon uptake capacity (4.63 mmol cm–3) and krypton productivity (214 cm3 g–1).
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