Trace removal of benzene vapour using double-walled metal–dipyrazolate frameworks

吸附 吸附剂 密度泛函理论 超分子化学 金属有机骨架 环境修复 材料科学 多孔性 化学 吸附 金属 化学工程 无机化学 分子 物理化学 有机化学 计算化学 污染 生态学 工程类 生物
作者
Tao He,Xiang‐Jing Kong,Zhen-Xing Bian,Yong‐Zheng Zhang,Guang-Rui Si,Lin‐Hua Xie,Xue‐Qian Wu,Hongliang Huang,Ze Chang,Xian‐He Bu,Michael J. Zaworotko,Zuoren Nie,Jian‐Rong Li
出处
期刊:Nature Materials [Nature Portfolio]
卷期号:21 (6): 689-695 被引量:193
标识
DOI:10.1038/s41563-022-01237-x
摘要

Abstract In principle, porous physisorbents are attractive candidates for the removal of volatile organic compounds such as benzene by virtue of their low energy for the capture and release of this pollutant. Unfortunately, many physisorbents exhibit weak sorbate–sorbent interactions, resulting in poor selectivity and low uptake when volatile organic compounds are present at trace concentrations. Herein, we report that a family of double-walled metal–dipyrazolate frameworks, BUT-53 to BUT-58, exhibit benzene uptakes at 298 K of 2.47–3.28 mmol g −1 at <10 Pa. Breakthrough experiments revealed that BUT-55, a supramolecular isomer of the metal–organic framework Co(BDP) (H 2 BDP = 1,4-di(1 H -pyrazol-4-yl)benzene), captures trace levels of benzene, producing an air stream with benzene content below acceptable limits. Furthermore, BUT-55 can be regenerated with mild heating. Insight into the performance of BUT-55 comes from the crystal structure of the benzene-loaded phase (C 6 H 6 @BUT-55) and density functional theory calculations, which reveal that C–H···X interactions drive the tight binding of benzene. Our results demonstrate that BUT-55 is a recyclable physisorbent that exhibits high affinity and adsorption capacity towards benzene, making it a candidate for environmental remediation of benzene-contaminated gas mixtures.
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