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Tailoring Hydrophobicity and Pore Environment in Physisorbents for Improved Carbon Dioxide Capture under High Humidity

化学 二氧化碳 吸附 限制 水分 湿度 烟气 连接器 分子 化学工程 相对湿度 金属有机骨架 有机化学 热力学 机械工程 工程类 物理 操作系统 计算机科学
作者
Xiaoliang Wang,Maytham Alzayer,Arthur J. Shih,Saptasree Bose,Haomiao Xie,Simon M. Vornholt,Christos D. Malliakas,Hussain Alhashem,Faramarz Joodaki,Sammer Marzouk,Grace Xiong,Mark Del Campo,Pierre Le Maguerès,Filip Formalik,Debabrata Sengupta,Karam B. Idrees,Kaikai Ma,Yongwei Chen,Kent O. Kirlikovali,Timur İslamoğlu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (6): 3943-3954 被引量:90
标识
DOI:10.1021/jacs.3c11671
摘要

CALF-20, a Zn-triazolate-based metal-organic framework (MOF), is one of the most promising adsorbent materials for CO2 capture. However, competitive adsorption of water severely limits its performance when the relative humidity (RH) exceeds 40%, limiting the potential implementation of CALF-20 in practical settings where CO2 is saturated with moisture, such as postcombustion flue gas. In this work, three newly designed MOFs related to CALF-20, denoted as NU-220, CALF-20M-w, and CALF-20M-e that feature hydrophobic methyltriazolate linkers, are presented. Inclusion of methyl groups in the linker is proposed as a strategy to improve the uptake of CO2 in the presence of water. Notably, both CALF-20M-w and CALF-20M-e retain over 20% of their initial CO2 capture efficiency at 70% RH─a threshold at which CALF-20 shows negligible CO2 uptake. Grand canonical Monte Carlo simulations reveal that the methyl group hinders water network formation in the pores of CALF-20M-w and CALF-20M-e and enhances their CO2 selectivity over N2 in the presence of a high moisture content. Moreover, calculated radial distribution functions indicate that introducing the methyl group into the triazolate linker increases the distance between water molecules and Zn coordination bonds, offering insights into the origin of the enhanced moisture stability observed for CALF-20M-w and CALF-20M-e relative to CALF-20. Overall, this straightforward design strategy has afforded more robust sorbents that can potentially meet the challenge of effectively capturing CO2 in practical industrial applications.
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