Development of Heterometallic Annular Tetranuclear Clusters in Metal–Organic Frameworks for Methane Purification and Storage

甲烷 金属有机骨架 金属 材料科学 纳米技术 化学工程 环境化学 化学 冶金 有机化学 工程类 吸附
作者
Lei Jiao,Zhang-Lei Zhong,Wenyu Yuan,Peng Zhang,Wang Ying,Quan‐Guo Zhai
标识
DOI:10.1021/cbe.4c00009
摘要

Annular tetranuclear cluster based metal–organic frameworks (MOFs) have displayed unique advantages in gas adsorption and separation due to their highly connected robust architectures. Herein, two novel heterometallic tetranuclear motifs, [Y2Cd2(μ3-O)2(COO)8(H2O)2] and [Y2In2(μ3-O)2(μ2-O)2(COO)8(H2O)2], were successfully explored, which were further extended by 1,3,5-tris(4-carboxyphenyl)benzene (H3BTB) tritopic linker to give isostructural MOFs (SNNU-326 and -327). SNNU-326 and -327 both exhibit the abilities to remove impurities (C2-hydrocarbons and CO2) in natural gas (NG) and excellent CH4 storage capacities at high pressures. SNNU-326 shows better CH4 purification and storage performance than SNNU-327 owing to different framework charges, in which only one counter ion is needed in SNNU-326 but two of them are necessary for SNNU-327, thus resulting in an obvious decrease of surface area. Dynamic breakthrough experiments demonstrate that SNNU-326 can effectively separate CH4 from equimolar C2H2/CH4, C2H4/CH4, C2H6/CH4, and CO2/CH4 mixtures with breakthrough interval times of about 40.6, 35.1, 54.2, and 10.2 min g–1 (273 K, 1 bar, 2 mL min–1), respectively. At the same time, SNNU-326 exhibits excellent CH4 storage capability with total and working uptakes of 154.3 cm3 (STP) cm–3 (80 bar) and 103.4 cm3 (STP) cm–3 (5–65 bar) at 273 K on account of the collaborative impacts of adequate apertures, high surface areas, and multiple open metal sites.
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