王浩研究员团队JACS：高孔容Na-MOF

背景介绍

金属有机骨架(MOF)是由有机配体与金属或金属团簇通过配位键连接而形成。据剑桥结构数据库(CSD)报道，MOF结构的数量已超过10万个。这些结构主要是基于过渡金属或镧系金属。相比之下，基于碱金属的MOF很少被报道，特别是稳定的多孔结构。这是因为溶剂分子容易与碱金属进行配位，从而易形成低维配位聚合物或不稳定的三维碱金属MOF结构。但基于碱金属的MOF材料由于密度较小，在气体吸附等方面具有一定应用优势。

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在这项工作中，作者利用八羧酸有机配体（H₈ETTBPDC），成功合成了一例稳固且具有高孔容的Na-MOF，命名为HIAM-111。HIAM-111在各种有机溶剂中都很稳定，在高温活化后仍能保持其结构完整性。通过N₂吸附测试计算其BET比表面积高达1561 m²/g，远高于此前已报道的基于碱金属的MOF材料。单组分气体吸附测试显示，HIAM-111对C₂H₂和C₂H₆的吸附能力明显优于C₂H₄，与先前报道的吸附剂相比，它具有相对较高的吸附能力，验证了碱金属MOF材料的吸附量优势。多组分穿透测试实验证实了HIAM-111可以从C₂H₂/C₂H₆/C₂H₄混合物中一步提纯C₂H₄。

图文注释

要点：Na与配体羧酸上的氧连接形成四核Na₄(COO)₈ SBU。HIAM-111的晶体结构中无机团簇相互连接形成一维梯形阵列，沿晶体学b轴延伸，通过八羧酸配体连接形成具有一维孔道的三维结构。拓扑分析显示总体结构是一个新的拓扑结构，可以简化为6,7,8-c三节点网络，其中6-c和8-c代表两个不同的有机配体，7-c代表Na₄簇。

要点：HIAM-111在活化后结构依然保持稳定。在77K下，HIAM-111的N₂吸附表现出典型的I型曲线，BET表面积为1561m²/g。连续五次吸附-解吸循环后未显示出显著的吸附量损失，表明HIAM-111具有较好的稳定性和循环性能。

要点：单组分吸附测试显示，在1bar和298K下，HIAM-111对C₂H₆和C₂H₂的吸附容量分别为112.17和108.88 cm³/g，明显高于C₂H₄的吸附容量（88.79 cm³/g），表明HIAM-111对C₂H6和C₂H₂的吸附优于对C₂H₄的吸附。值得注意的是，C₂H₆的吸附容量和C₂H₆/C₂H₄吸选择性是用于C₂三元混合物分离的性能最好的吸附剂之一。同时我们还探索了CO₂在HIAM-111上的吸附，在298K和1bar下CO₂的吸附容量为57.22cm³/g，比C₂H₂的吸附容量低。多组分动态穿透试验证实了HIAM-111可以从C₂H₂/C₂H₆/C₂H₄混合物中一步提纯C₂H₄，并且可以有效分离C₂H₂/CO₂。

总结与展望

总之，作者通过使用八羧酸有机配体，成功地合成了一个稳固的Na-MOF，HIAM-111，其具有全新的拓扑结构。HIAM-111在活化后依旧稳定存在并具有超过了所有先前报道的碱金属基MOFs的高表面积。HIAM-111证明了通过C₂H₂和C₂H₆相对于C₂H₄的优先吸附一步分离C₂H₂/C₂H₄/C₂H₆的能力。基于此，作者认为使用多羧酸的有机配体更容易合成具有高孔隙率的稳定碱金属基MOF。

全文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c11260