Tuning the Pore Environment of MOFs toward Efficient CH4/N2 Separation under Humid Conditions

吸附 材料科学 金属有机骨架 选择性 化学工程 吸附 相对湿度 辛烷值 有机化学 化学 热力学 物理 工程类 催化作用
作者
Tong Li,Xiaoxia Jia,Hui Chen,Zeyu Chang,Libo Li,Yong Wang,Jinping Li
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:14 (13): 15830-15839 被引量:43
标识
DOI:10.1021/acsami.2c01156
摘要

Adsorption separation technology using adsorbents is promising as an alternative to the energy-demanding cryogenic distillation of natural gas (CH4/N2) separation. Although a few adsorbents, such as metal-organic frameworks (MOFs), with high performance for CH4/N2 separation, have been reported, it is still challenging to target the desired adsorbents for the actual CH4/N2 separation under humid conditions because the adsorption capacity and selectivity of the adsorbents might be mainly dampened by water vapor. Except for the high CH4 uptake and CH4/N2 selectivity, the adsorption material should simultaneously have excellent stability against moisture and relatively low-water absorption affinity. Here, we tuned the ligands and metal sites of reticular MOFs, Zn-benzene-1,4-dicarboxylic acid-1,4-diazabicyclo[2.2.2]octane (Zn-BDC-DABCO) (DMOF), affording a series of isostructural MOFs (DMOF-N, DMOF-A1, DMOF-A2, and DMOF-A3). Because of the finely engineered pore size and introduced aromatic rings in the functional DMOF, gas sorption results reveal that the materials show improved performance with a benchmark CH4 uptake of 37 cm3/g and a high CH4/N2 adsorption selectivity of 7.2 for DMOF-A2 at 298 K and 1.0 bar. Moisture stability experiments show that DMOF-A2 is a robust MOF with low water vapor capacity even at ∼40% relative humidity (RH) because of the presence of more hydrophobic aromatic rings. Breakthrough experiments verify the excellent CH4/N2 separation performances of DMOF-A2 under high humidity.
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