Carbon dioxide adsorption on MIL-10

Carbon dioxide adsorption on MIL-100(M) (M = Cr, V, Sc) metal–organic frameworks: IR spectroscopic and thermodynamic studies Carlos Palomino Cabello, Paolo Rumori, Gemma Turnes Palomino⇑
Department of Chemistry, University of the Balearic Islands, 07122 Palma de Mallorca, Spain
a r t i c l e i n f o
Article history: Received 13 December 2013 Received in revised form 24 January 2014 Accepted 5 February 2014 Available online 14 February 2014
Keywords: Carbon capture and storage Metal-organic frameworks IR spectroscopy Thermodynamics
abstract
Interaction between carbon dioxide and the coordinatively unsaturated Cr(III), V(III) and Sc(III) cationic centers in MIL-100(Cr), MIL-100(V) and MIL-100(Sc), respectively, was studied by means of variable-tem- perature infrared (VTIR) spectroscopy, a technique that affords determination of standard adsorption enthalpy (DH0) and entropy (DS0) from analysis of IR spectra recorded over a temperature range while simultaneously measuring equilibrium pressure inside a closed IR cell. DH0 was found to be 63, 54 and 48 kJ mol1 for MIL-100(Cr), MIL-100(V) and MIL-100(Sc), respectively, which are among the high- est values so far reported for CO2 adsorption on metal–organic frameworks containing open metal sites. Corresponding values for DS0 resulted to be 210, 198, and 178 J mol1 K1, thus showing a positive correlation between DH0 and DS0. The observed values of standard adsorption enthalpy are discussed in the broader context of corresponding data reported in the literature for the adsorption of carbon dioxide on other MOFs, as well as on zeolites.  2014 Elsevier Inc. All rights reserved.
1. Introduction
Carbon-based fossil fuels provide about 80% of the world’s en- ergy needs [1], but their combustion is one of the major contribu- tors to the rising levels of carbon dioxide in the atmosphere, and hence to greenhouse effect and its adverse consequences on cli- mate. Despite increasing development of renewable and cleaner energy sources, a fast move away from fossil fuels is unlikely to oc- cur in the mid-term. Consequently, there is a need to develop effi- cient technologies that could allow us to continue using fossil fuels while reducing CO2 emissions. Carbon capture and storage (CCS) has been proposed as a means of limiting CO2 emissions from fossil fuel burning (both in power plants and in other stationary sources), thus mitigating greenhouse effects [2–5]. Current technology for CCS uses mainly liquid amine-based chemical absorbents, but besides the high amount of energy re- quired for regenerating the sorbent, that technology poses some corrosion problems and environmental hazards derived from waste processing, unintentional emissions and accidental release [6–10]. To overcome the drawbacks of amine aqueous solutions, several types of porous adsorbents that can reversibly capture and release CO2 (in temperature- or pressure-swing cycles) are currently under active investigation as a means to facilitate CO2
capture from flue gases of stationary sources [11–13]. For cost- effective gas separation, main adsorbent requirements are large adsorption capacity (specially at a low pressure), stability over a large number of adsorption–desorption cycles, fast kinetics, and favorable adsorption thermodynamics, meaning that, in order to facilitate CO2 capture and release, the corresponding adsorption enthalpy should be neither too low nor too high. The main types of porous materials currently under active re- search for CO2 separation are porous carbons [14,15], zeolites [16–18], and metal–organic frameworks (MOFs) and related com- pounds [19–24]. Among these, MOFs have attracted significant interest during last years, mainly because metal–organic frame- works and related materials have the advantage of showing a large variety of structural types and chemical composition, which facil- itates rational design of chemical synthesis aimed at optimizing gas adsorption properties [25–27]. The large number of structures that can be obtained by changing either the organic linker or the metal endows MOFs with a high versatility for tuning not only pore size and surface area but also adsorption enthalpy, which is a main factor determining preferential gas adsorption, and hence separa- tion, from gas mixtures. MOFs having unsaturated metal cation centers are particularly promising in this context. Removal of the coordinated solvent molecules (which act as terminal ligands for the metal cations embedded within the porous framework) by thermal treatment under a vacuum generates localized carbon dioxide adsorption centers which show enhanced gas–solid
http://dx.doi.org/10.1016/j.micromeso.2014.02.015 1387-1811/ 2014 Elsevier Inc. All rights reserved.
⇑ Corresponding author. Tel.: [phone]; fax: [phone]. E-mail address: [e-mail] (G.T. Palomino).
Microporous and Mesoporous Materials 190 (2014) 234–239
Contents lists available at ScienceDirect
Microporous and Mesoporous Materials
journal homepage: www.elsevier.com/locate/micromeso
interaction energy, thus facilitating selective uptake of CO2 at a low pressure [19,20,24,28,29]. As a part of a systematic study on the thermodynamics of car- bon dioxide adsorption on MOFs having unsaturated metal cations in their framework, and with a view to increase knowledge about prospective carbon dioxide adsorbents for CCS, we report for the first time on variable temperature IR (VTIR) [30,31] studies on the interaction of CO2 with three members of the MIL-100 isostructural series (MIL-100(Cr), MIL-100(V) and MIL-100(Sc)). MIL-100(M) are mesoporous MOFs that have the chemical composition M3O(F/ OH)(H2O)2[C6H3(CO2)3]2nH2O. They are metal(III) carboxylates built from trimers of metal octahedra sharing a common oxygen atom which are linked together by trimesate rigid ligands (Fig.1).ThereisalsoaterminalH2O ligand that can be removed by appropriate thermal treatment, to leave an open (coordinatively unsaturated) cationic site. After solvent removal, the framework structure (which is cubic) shows two types of empty mesoporous cages having free apertures of approx. 2.9 and 3.4 nm, accessible through microporous windows of approx. 0.55 and 0.86 nm, respectively [32–35].TheVTIRmethodhastheadvantageofbeing able to give not only the IR spectroscopic features of gas adsorption complexes, but also the corresponding values of standard adsorp- tion enthalpy and entropy that rule the thermodynamics of the adsorption process, thus allowing a detailed description of the interaction between the gas and the adsorbent which could be very
useful in the choice of an optimal adsorbent. The results are dis- cussed in the broader context of relevant data for carbon dioxide adsorption on cation-exchanged zeolites and on other metal–or- ganic frameworks.
2. Materials and methods
The MIL-100(M) (M = Cr, V and Sc) samples used were synthesized under solvothermal conditions following procedures reported in the literature [32–35].Thenecessaryreagents(1,3,5-benzenetricarb- oxylic acid (Aldrich, 95%), triethyl-1,3,5-benzenetricarboxylate (Aldrich, 97%), chromium(VI) oxide (Sigma–Aldrich, 99%), vana- dium(III) chloride (Aldrich, 97%), scandium(III) nitrate hydrate (Aldrich, 99.9%), N,N-dimethylformamide (Scharlau, 99.5%), hydro- fluoric acid (Sigma–Aldrich, 40%), ethanol (Scharlau, 96%), and acetone (Scharlau, 99.5%)) were comercially available and used as received. MIL-100(Sc) was prepared by dissolving 0.204 g of Sc(NO3)3xH2O and 0.084 g of trimesic acid in 15 ml of N,N-dimethylformamide (DMF). The reaction mixture was stirred at room-temperature for 30 min. Then, the mixture solution was transferred into a Teflon- lined autoclave (23 ml) and heated at 423 K for 36 h. After cooling to room temperature, the white powdered product was collected by filtration, washed with DMF, and dried at room temperature. In order to remove the DMF resided in the pores of MIL-100(Sc), the as-synthesized sample was solvothermally treated in ethanol at 373 K for 16 h and then collected by filtration, and dried at room temperature. MIL-100(V) was synthesized by mixing 0.628 g of VCl3 and 0.588 g of triethyl-1,3,5-benzenetricarboxylate in 5 ml of deionized water. The synthesis was carried out in a Teflon-lined autoclave (23 ml) at 493 K for 72 h. The product was retained by filtration as a greenish powder and washed with hot ethanol in order to re- move the unreacted ligand. Finally it was washed with deionized water and dried at 373 K under air. MIL-100(Cr) was prepared by mixing 0.5 g of CrO3, 1.05 g of trimesic acid, and 1.0 ml of a 5 M hydrofluorohydric solution in 24 ml of deionized water. The slurry was stirred for a few minutes at room temperature and then introduced in a Teflon-lined auto- clave (45 ml) and set for 96 h at 493 K. The resulting green solid was washed with deionized water and acetone and dried at room temperature under air atmosphere. The synthesized materials were checked by X-ray powder dif- fraction. The diffractograms of the obtained products showed in
Fig. 1. View of the structure of MIL-100: (a) Trimer of metal octahedra, and (b) schematic tridimensional representation of the supertetrahedra built up from trimers of metal octahedra and trimesate rigid ligands. Metal, carbon and oxygen atoms are depicted as blue, gray and red spheres, respectively. (For interpretation of the references to color in this figure legend, the reader is referred to the web version of this article.)
5 10 15 20 25 30 35
(c)
(b)
2-theta (degree)
(a)
Fig. 2. X-ray diffraction diffractograms (Cu-Ka radiation) of: (a) MIL-100(Cr), (b) MIL-100(Sc) and (c) MIL-100(V) samples.
C.P. Cabello et al./Microporous and Mesoporous Materials 190 (2014) 234–239 235
all cases good cristallinity, and all diffraction lines could be as- signed to the corresponding structural types, as shown in Fig. 2. For infrared spectroscopy, thin self-supported wafers of the MOF samples were prepar

Kết quả (Việt) 1:

Điôxít cacbon hấp phụ trên MIL-100 (M) (M = Cr, V, Sc) khung kim loại-hữu cơ: IR quang phổ and nhiệt học Carlos Palomino Cabello, Paolo Rumori, Gemma Turnes Palomino⇑ Điôxít cacbon hấp phụ trên MIL-100(M) (M = Cr, V, Sc) khung kim loại-hữu cơ: IR quang phổ và nhiệt học Carlos Palomino Cabello, Paolo Rumori, Gemma Turnes Palomino⇑Vùng of hóa học, trường đại học thuộc quần đảo Balears, 07.122 Palma de Mallorca, Tây Ban Nha Vùng của hóa học, trường đại học thuộc quần đảo Balears, 07122 Palma de Mallorca, Tây Ban Nhar ticle tôi nfo r t i c l e tôi n f oBài viết lịch sử: receive 13 tháng 12 năm 2013 đã nhận trong hình thức sửa đổi ngày 24 tháng 1 năm 2014 accepting 5 tháng 2 năm 2014 builtin trực tuyến 14 tháng hai năm 2014 Bài viết lịch sử: nhận được 13 tháng 12 năm 2013 đã nhận trong hình thức sửa đổi ngày 24 tháng 1 năm 2014 chấp nhận 5 tháng 2 2014 có sẵn trực tuyến 14 tháng hai 2014Từ khóa: cacbon chụp and storage kim loại hữu cơ khung IR phổ học nhiệt động lực học Từ khóa: Cacbon chụp và lưu trữ kim loại hữu cơ khung IR phổ học nhiệt động lực họctóm tắt tóm tắtTương tác centered điôxít cacbon and other coordinatively no bão hòa Cr (III), V (III) and Sc (III) cation Trung tâm tại MIL-100 (Cr), MIL-100 (V) and MIL-100 (Sc), tương ứng, been nghiên cứu bằng phương pháp quang phổ hồng ngoại biến-tem-perature (VTIR ), one điện lạnh dành cho all determined of the tiêu chuẩn hấp phụ enthalpy (DH0) and dữ liệu ngẫu nhiên (DS0) từ phân tích of IR phổ been rewrite on one phạm vi nhiệt độ during đồng thời đo áp suất balanced inside the one tế bào IR đóng cửa. Tương tác giữa điôxít cacbon và các coordinatively không bão hòa Cr(III), V(III) và Sc(III) cation Trung tâm tại MIL-100(Cr), MIL-100(V) và MIL-100(Sc), tương ứng, được nghiên cứu bằng phương pháp quang phổ hồng ngoại biến-tem-perature (VTIR), một kỹ thuật dành cho các quyết định của các tiêu chuẩn hấp phụ enthalpy (DH0) và dữ liệu ngẫu nhiên (DS0) từ phân tích của IR spectra được ghi lại trên một phạm vi nhiệt độ trong khi đồng thời đo áp suất cân bằng bên trong một tế bào IR đóng cửa. DH0 been find is 63, 54 and 48 kJ mol 1 cho MIL-100 (Cr), MIL-100 (V) and MIL-100 (Sc), tương ứng, which is one of the giá trị cao-est until nay been báo cáo cho CO2 hấp phụ trên khung hữu cơ-kim loại may contain the the trang web mở same as kim loại. DH0 được tìm thấy là 63, 54 và 48 kJ mol 1 cho MIL-100(Cr), MIL-100(V) và MIL-100(Sc), tương ứng, mà là một trong các giá trị cao-est cho đến nay được báo cáo cho CO2 hấp phụ trên khung hữu cơ-kim loại có chứa các trang web mở bằng kim loại. Kết quả is all the value tương ứng cho DS0 210, 198 and 178 J mol 1 K 1, làm then display the one sự tương quan tích cực centered DH0 and DS0. Kết quả là các giá trị tương ứng cho DS0 210, 198 và 178 J mol 1 K 1, do đó hiển thị một sự tương quan tích cực giữa DH0 và DS0. Các giá trị quan sát of tiêu chuẩn hấp phụ entanpy been thảo luận trong bối cảnh rộng than tương ứng dữ liệu báo cáo in all tài database for hấp phụ of khí carbon dioxide MOFs khác, as well as trên zeolit. Các giá trị quan sát của tiêu chuẩn hấp phụ enthalpy được thảo luận trong bối cảnh rộng hơn tương ứng dữ liệu báo cáo trong các tài liệu cho hấp phụ của khí carbon dioxide MOFs khác, cũng như trên zeolit. 2014 Elsevier Inc 2014 Elsevier Inc Tất cả all rights.Tất cả các quyền. 1. 1. giới thiệuCarbon-dựa nhiên liệu hóa thạch cung cấp khoảng 80% của thế giới en - ta nhu cầu [1], nhưng đốt cháy của họ là một trong những contribu lớn tors để tăng mức độ carbon dioxide trong khí quyển, và vì thế để hiệu ứng nhà kính và các hậu quả xấu về cli-mate. Mặc dù ngày càng phát triển các nguồn năng lượng tái tạo và sạch hơn, một di chuyển nhanh từ nhiên liệu hóa thạch là dường như oc-cur trong trung hạn. Do vậy, có là một nhu cầu để phát triển công nghệ effi-CIT có thể cho phép chúng tôi để tiếp tục sử dụng nhiên liệu hóa thạch trong khi làm giảm lượng khí thải CO2. Cacbon chụp và lưu trữ (CCS) đã được đề xuất như là một phương tiện để hạn chế lượng khí thải CO2 từ nhiên liệu hóa thạch đốt (cả trong nhà máy điện và trong các nguồn văn phòng phẩm khác), do đó giảm nhẹ hiệu ứng nhà kính [2 – 5]. Các công nghệ hiện tại cho CCS sử dụng chủ yếu là lỏng amine dựa trên hóa chất absorbents, nhưng bên cạnh cao số lượng năng lượng re-quired cho tái sinh các sorbent, công nghệ mà đặt ra một số vấn đề ăn mòn và mối nguy hiểm môi trường có nguồn gốc từ các chất thải, xử lý, không chủ ý phát thải và tình cờ phát hành [6 – 10]. Để khắc phục nhược điểm của giải pháp dung dịch nước của amin, một số loại xốp adsorbents có thể reversibly nắm bắt và phát hành CO2 (trong chu kỳ nhiệt độ hoặc áp swing) hiện đang điều tra hoạt động như một phương tiện để tạo điều kiện cho CO2chụp từ flue khí cố định nguồn [11-13]. Chi phí-hiệu quả khí tách, yêu cầu tấm này chính là dung lượng lớn hấp phụ (đặc biệt ở áp suất thấp), ổn định trên một số lượng lớn các chu kỳ hấp phụ-desorption, động học nhanh chóng và thuận lợi hấp phụ nhiệt động lực học, có nghĩa là, để tạo điều kiện nắm bắt CO2 và phát hành, enthalpy hấp phụ tương ứng nên không quá thấp, cũng không quá cao. Loại xốp vật liệu hiện đang được tái hoạt động tìm kiếm cho CO2 tách, chính là xốp cacbon [14,15], zeolit [16-18], và khuôn khổ hữu cơ-kim loại (MOFs) và liên quan com-Pound [19-24]. Trong số này, MOFs đã thu hút sự quan tâm significant trong những năm qua, chủ yếu là bởi vì khung hữu cơ-kim loại, công trình và các tài liệu có liên quan có lợi thế là hiển thị một loạt lớn các loại cấu trúc và thành phần hóa học, những thiết kế hợp lý facil-itates tổng hợp hóa học nhằm mục đích tối ưu hóa khí hấp phụ thuộc tính [25-27]. Số lượng lớn các cấu trúc có thể thu được bằng cách thay đổi linker hữu cơ hoặc kim loại endows MOFs với tính linh hoạt cao nhất điều chỉnh không chỉ kích thước lỗ chân lông và diện tích bề mặt nhưng cũng hấp phụ enthalpy, mà là một yếu tố chính xác định ưu đãi khí hấp phụ, và do đó separa-tion, từ hỗn hợp khí. MOFs có trung tâm cation kim loại không bão hòa đặc biệt hứa hẹn trong bối cảnh này. Loại bỏ các phân tử dung môi phối hợp (trong đó hoạt động như thiết bị đầu cuối ligand cho cation kim loại được nhúng trong khuôn khổ xốp) bởi các điều trị nhiệt dưới chân không tạo ra trung tâm hấp phụ bản địa hóa lượng khí carbon dioxide Hiển thị nâng cao khí-rắnhttp://DX.Doi.org/10.1016/j.micromeso.2014.02.015 năm 1811 1387 / 2014 Elsevier Inc Tất cả các quyền.Các tác giả Corresponding ⇑. Tel.: + 34 971 173250; Fax: + 34 971173426. Địa chỉ e-mail: [e-mail] (gt Palomino).Lụa và Mesoporous liệu 190 (2014) 234-239Nội dung danh sách có sẵn tại ScienceDirectLụa và các tài liệu Mesoporoustạp chí trang chủ: www.elsevier.com/locate/micromesotương tác năng lượng, do đó tạo điều kiện cho sự hấp thu chọn lọc khí CO2 ở áp suất thấp [19,20,24,28,29]. Như một phần của một nghiên cứu có hệ thống về nhiệt động lực học của xe-bon dioxide hấp phụ trên MOFs có không bão hòa kim loại cation trong khuôn khổ của họ, và nhằm gia tăng kiến thức về tiềm năng lượng khí carbon dioxide adsorbents cho CCS, chúng tôi báo cáo trong vòng thời gian biến đổi nhiệt độ hồng ngoại (VTIR) [30,31] nghiên cứu về sự tương tác của CO2 với ba thành viên của dòng isostructural triệu-100 (MIL-100(Cr) , MIL-100(V) và MIL-100(Sc)). Mil-100(M) có mesoporous MOFs rằng có thành phần hóa học M3O(F/ OH) (H2O) 2 [C6H3 (CO2) 3] 2 nH2O. Họ là metal(III) carboxylates được xây dựng từ trimers của kim loại octahedra chia sẻ một nguyên tử ôxy thường được liên kết với nhau bởi trimesate cứng nhắc ligand (Fig.1). ThereisalsoaterminalH2O phối tử có thể được gỡ bỏ bằng cách điều trị nhiệt thích hợp, để lại một trang web mở (coordinatively không bão hòa) cation. Sau khi loại bỏ các dung môi, cấu trúc khung (đó là khối) cho thấy hai loại trống mesoporous lồng có khẩu độ miễn phí của khoảng 2,9 và 3.4 nm, có thể truy cập thông qua cửa sổ lụa có cự ly khoảng 0,55 và 0,86 nm, tương ứng [32 – 35]. TheVTIRmethodhastheadvantageofbeing có thể cung cấp cho không chỉ các tính năng IR quang phổ của khí hấp phụ tổ hợp, nhưng cũng có giá trị tương ứng của tiêu chuẩn adsorp-tion enthalpy và dữ liệu ngẫu nhiên mà quy luật nhiệt động học của quá trình hấp phụ, do đó cho phép một mô tả chi tiết của sự tương tác giữa khí và sắc mà có thể rấthữu ích trong sự lựa chọn của một sắc tối ưu. Kết quả là dis-cussed trong bối cảnh rộng hơn của các dữ liệu liên quan cho điôxít cacbon hấp phụ trao đổi cation zeolit và trên khung kim loại-hoặc-nhưng khác.2. tài liệu và phương phápMIL-100(M) (M = Cr, V và Sc) mẫu được sử dụng đã được tổng hợp theo solvothermal điều kiện thủ tục sau đây được báo cáo trong các tài liệu [32 – 35]. Thenecessaryreagents (1,3,5-benzenetricarb-oxylic acid (Aldrich, 95%), triethyl-1,3,5-benzenetricarboxylate (Aldrich, 97%), chromium(VI) oxit (Sigma-Aldrich, 99%), vana dium(III) clorua (Aldrich, 97%), scandium(III) nitrat hydrat (Aldrich, 99,9%), N, N-dimethylformamide (Scharlau, 99,5%), thủy-fluoric acid (Sigma-Aldrich, 40%), ethanol (Scharlau, 96%), và axeton (Scharlau, 99,5 %)) đã là comercially có sẵn và được sử dụng như đã nhận được. Mil-100(SC) đã được chuẩn bị bằng cách hòa tan 0.204 g Sc (NO3) 3 xH2O và 0,084 g trimesic acid trong 15 ml N, N-dimethylformamide (DMF). Hỗn hợp phản ứng đã được khuấy ở nhiệt độ phòng cho 30 phút. Sau đó, giải pháp hỗn hợp đã được chuyển vào một Teflon-lót nồi hấp (23 ml) và sưởi ấm tại 423 K cho 36 h. Sau khi làm mát đến nhiệt độ phòng, các sản phẩm bột màu trắng đã được thu thập bởi filtration, rửa sạch với DMF và sấy khô ở nhiệt độ phòng. Để loại bỏ DMF cư ngụ trong các lỗ chân lông của MIL-100(Sc), như là tổng hợp mẫu là solvothermally được điều trị trong etanol 373 k cho 16 h sau đó được thu thập bởi filtration và sấy khô ở nhiệt độ phòng. Mil-100(V) được tổng hợp bằng cách trộn 0.628 g của VCl3 và 0.588 g triethyl-1,3,5-benzenetricarboxylate trong 5 ml nước deionized. Việc tổng hợp được thực hiện trong một Teflon-lót nồi hấp (23 ml) 493 k cho 72 h. Sản phẩm được giữ lại bởi filtration như là một loại bột màu xanh lục và rửa sạch với nóng ethanol để re-di chuyển phối tử unreacted. Cuối cùng rửa sạch với nước deionized và khô ở 373 K theo máy. Mil-100(CR) đã được chuẩn bị bằng cách pha trộn cách 0.5 g CrO3, 1,05 g trimesic axit và 1.0 ml của một giải pháp hydrofluorohydric 5 M trong 24 ml nước deionized. Bùn được khuấy cho một vài phút ở nhiệt độ phòng và sau đó được giới thiệu trong một Teflon xếp hàng tự động-clave (45 ml) và thiết lập cho 96 h tại 493 K. Kết quả là chất rắn màu xanh lá cây là rửa sạch với nước deionized và axeton và sấy khô ở nhiệt độ phòng dưới máy khí quyển. Các vật liệu tổng hợp đã được kiểm tra bằng X-ray bột c-phần. Diffractograms sản phẩm thu được cho thấy trongHình 1. Xem cấu trúc của MIL-100: (a) Trimer kim loại octahedra, và (b) sơ đồ tridimensional đại diện của supertetrahedra được xây dựng từ trimers của kim loại octahedra và trimesate ligand cứng nhắc. Kim loại, nguyên tử cacbon và ôxy được mô tả như lĩnh vực màu xanh, màu xám và đỏ, tương ứng. (Giải thích các tham chiếu đến màu sắc trong truyền thuyết figure này, người đọc được gọi là phiên bản web của bài viết này.)5 10 15 20 25 30 35(c)(b)2-theta (mức độ)(a)Hình 2. Nhiễu xạ tia x diffractograms (Cu-Ka bức xạ) của: (a) MIL-100(Cr), (b) MIL-100(Sc) và (c) MIL-100(V) mẫu.C.P. Cabello et al./lụa và Mesoporous liệu 190 (2014) 234-239 235Tất cả trường hợp tốt cristallinity, và tất cả các dòng nhiễu xạ có thể là - ký hợp đồng với các loại kết cấu tương ứng, như minh hoạ trong hình 2. Cho phổ hồng ngoại, mỏng tấm tự hỗ trợ mẫu MOF đã chuẩn

Kết quả (Việt) 2:

Carbon dioxide hấp phụ trên MIL-100 (M) (M = Cr, V, Sc) khung kim loại hữu cơ: quang phổ hồng ngoại và nghiên cứu nhiệt động lực Carlos Palomino Cabello, Paolo Rumori, Gemma Turnes Palomino⇑
Khoa Hóa, Đại học của quần đảo Balearic, 07.122 Palma de Mallorca, Tây Ban Nha
một rticleinfo
Điều lịch sử: nhận ngày 13 Tháng 12 năm 2013 nhận bằng hình thức sửa đổi ngày 24 tháng 1 năm 2014 Accepted 05 tháng hai năm 2014 hiện có sẵn trực tuyến ngày 14 tháng 2 năm 2014
từ khóa: chụp carbon và lưu trữ kim loại-hữu khuôn khổ IR phổ Nhiệt động
trừu tượng
tương tác giữa carbon dioxide và các coordinatively không bão hòa Cr (III), V (III) và Sc (III) trung tâm cation trong MIL-100 (Cr), MIL-100 (V) và MIL-100 (Sc), tương ứng, đã được nghiên cứu bằng phương tiện của variable- tem- perature hồng ngoại (VTIR) quang phổ, một kỹ thuật mà dành quyết tâm của entanpi tiêu chuẩn hấp phụ (DH0) và entropy (DS0) từ phân tích quang phổ hồng ngoại được ghi nhận trong một phạm vi nhiệt độ trong khi đồng thời đo áp suất cân bằng bên trong một tế bào hồng ngoại kín. DH0 đã được tìm thấy được? 63,? 54 và? 48 kJ mol? 1 cho MIL-100 (Cr), MIL-100 (V) và MIL-100 (Sc), tương ứng, đó là một trong những giá trị cao est vậy đến nay báo cáo cho hấp phụ CO2 trên khung kim loại hữu cơ có chứa các trang web bằng kim loại mở. Giá trị tương ứng cho DS0 dẫn được? 210? 198, và? 178 J mol? 1 K? 1, do đó cho thấy một mối tương quan tích cực giữa DH0 và DS0. Các giá trị quan sát của enthalpy hấp phụ tiêu chuẩn sẽ được thảo luận trong bối cảnh rộng lớn hơn của dữ liệu tương ứng được báo cáo trong y văn cho sự hấp thụ của carbon dioxide vào MOFs khác, cũng như trên zeolit. ? 2014 Elsevier Inc. Tất cả quyền được bảo lưu.
1. Giới thiệu
các loại nhiên liệu hóa thạch carbon dựa trên cung cấp khoảng 80% nhu cầu ergy en- thế giới [1], nhưng đốt của họ là một trong các yếu đóng góp chủ yếu vào mức tăng của khí carbon dioxide trong khí quyển, và do đó hiệu ứng nhà kính và nó hậu quả xấu về người bạn đời cli-. Mặc dù ngày càng phát triển các nguồn năng lượng tái tạo và sạch hơn, một động thái nhanh chóng đi từ nhiên liệu hóa thạch là không thể hóa diễn cur trong trung hạn. Do đó, có một nhu cầu phát triển công nghệ fi- cient ef mà có thể cho phép chúng tôi tiếp tục sử dụng các loại nhiên liệu hóa thạch trong khi giảm lượng khí thải CO2. Thu giữ cácbon (CCS) đã được đề xuất như một phương tiện để hạn chế lượng khí thải CO2 từ nhiên liệu hóa thạch đốt (cả trong các nhà máy điện và các nguồn văn phòng phẩm khác), do đó giảm thiểu hiệu ứng nhà kính [2-5]. Công nghệ hiện tại cho CCS sử dụng chất hấp thụ hóa học amin dựa trên chủ yếu là chất lỏng, nhưng bên cạnh đó số lượng cao của năng lượng tái thoát nước thải cho tái sinh các chất hấp thụ, công nghệ mà đặt ra một số vấn đề ăn mòn và mối nguy hiểm môi trường có nguồn gốc từ xử lý chất thải, khí thải không chủ ý và tình cờ phát hành [6 10]. Để khắc phục nhược điểm của dung dịch amin, một số loại chất hấp phụ xốp thuận nghịch có thể nắm bắt và giải phóng CO2 (trong chu kỳ temperature- hoặc áp-swing) hiện đang được điều tra hoạt động như một phương tiện để tạo điều kiện CO2
chụp từ khí ue fl của nguồn tĩnh [ 11-13]. Để tách khí có hiệu quả về mặt chi phí, yêu cầu vật liệu hấp phụ chính là công suất lớn hấp phụ (đặc biệt ở áp suất thấp), ổn định trên một số lượng lớn các chu kỳ hấp phụ-giải hấp, động học nhanh, và nhiệt hấp phụ kiện, có nghĩa là, để tạo điều kiện thu giữ CO2 và phát hành, hấp phụ entanpy tương ứng nên không quá thấp cũng không quá cao. Các loại chính của vật liệu xốp hiện đang tìm kiếm lại hoạt động để tách CO2 là cacbon xốp [14,15], zeolit [16-18], và khung kim loại hữu cơ (MOFs) và liên quan đến đồng bảng Anh [19-24]. Trong số này, MOFs đã thu hút sự quan tâm trọng yếu trong những năm qua, chủ yếu là bởi vì kim loại hữu cơ các khung và các tài liệu liên quan có lợi thế cho thấy một lượng lớn các loại cấu trúc và thành phần hóa học, trong đó facil- itates thiết kế hợp lý các hóa chất tổng hợp nhằm tối ưu hóa tính khí hấp phụ [25-27]. Số lượng lớn các cấu trúc có thể thu được bằng cách thay đổi một trong hai mối liên kết hữu cơ hoặc các kim loại endows MOFs với tính linh hoạt cao để điều chỉnh không chỉ ham mê kích thước và diện tích bề mặt mà còn hấp phụ entanpy, đó là một yếu tố chính xác định khả năng hấp thụ khí ưu đãi, và do đó sự separa-, từ hỗn hợp khí. MOFs có trạm cation kim loại không bão hòa là đặc biệt hứa hẹn trong bối cảnh này. Loại bỏ các phân tử dung môi phối hợp (mà hành động ligand như thiết bị đầu cuối cho các cation kim loại nhúng trong khuôn khổ xốp) bằng cách xử lý nhiệt trong chân không tạo ra các trung tâm hấp phụ carbon dioxide địa phương mà cho thấy tăng cường khí-rắn
http://dx.doi.org/ 10,1016 / j.micromeso.2014.02.015 1387-1811 /? 2014 Elsevier Inc. Tất cả quyền được bảo lưu.
⇑ Tương ứng với tác giả. Tel .: [phone]; fax: Địa chỉ E-mail [phone].:. [e-mail] (GT Palomino)
vi xốp và Vật liệu mao 190 (2014) 234-239
Nội dung danh sách có sẵn tại ScienceDirect
vi xốp và mao Vật liệu
trang chủ tạp chí: www.elsevier. com / tìm / micromeso
năng lượng tương tác, tạo điều kiện cho sự hấp thu chọn lọc CO2 ở áp suất thấp [19,20,24,28,29]. Là một phần của một nghiên cứu có hệ thống về nhiệt động lực học của các bon dioxide hấp phụ trên MOFs có các cation kim loại không bão hòa trong khuôn khổ của họ, và với mục đích nâng cao kiến thức về các chất hấp phụ carbon dioxide tương lai cho CCS, chúng tôi báo cáo lần đầu tiên kinh vào nhiệt độ biến IR (VTIR) [30,31] nghiên cứu về sự tương tác của CO2 với ba thành viên của loạt isostructural MIL-100 (MIL-100 (Cr), MIL-100 (V) và MIL-100 (Sc)). MIL-100 (M) là MOFs mao có thành phần hóa học M3O (F / OH) (H2O) 2 [C6H3 (CO2) 3] 2? NH2O. Họ là kim loại (III) cacboxylat được xây dựng từ trimer của octahedra kim loại chia sẻ một nguyên tử oxy thường được liên kết với nhau bởi trimesate ligand cứng (Hình 1) .ThereisalsoaterminalH2O phối tử có thể được loại bỏ bằng cách xử lý nhiệt thích hợp, để lại một mở (coordinatively không bão hòa ) trang web cation. Sau khi loại bỏ dung môi, cấu trúc khung (đó là khối) cho thấy hai loại lồng mao rỗng có khẩu độ miễn approx. 2,9 và 3,4 nm, truy cập thông qua các cửa sổ microporous khoảng. 0,55 và tương ứng là 0,86 nm, [32-35] .TheVTIRmethodhastheadvantageofbeing thể cung cấp cho không chỉ các tính năng IR quang phổ của các phức hợp khí hấp phụ, nhưng cũng có giá trị tương ứng của tiêu chuẩn entanpy sự adsorp- và entropy mà cai trị nhiệt động lực của quá trình hấp phụ, do đó cho phép một mô tả chi tiết về sự tương tác giữa khí và các vật liệu hấp phụ mà có thể sẽ rất
hữu ích trong việc lựa chọn một vật liệu hấp phụ tối ưu. Các kết quả được thảo thảo luận trong bối cảnh rộng lớn hơn của dữ liệu có liên quan cho dioxide carbon hấp phụ trên zeolit cation trao đổi và trên các khuôn khổ ganic kim loại chức khác.
2. Vật liệu và phương pháp
MIL-100 (M) (M = Cr, V và Sc) mẫu được sử dụng đã được tổng hợp trong các điều kiện sau đây solvothermal thủ tục báo cáo trong y văn [32-35] .Thenecessaryreagents (1,3,5-benzenetricarb- axit oxylic (Aldrich, 95%), triethyl-1,3,5-benzenetricarboxylate (Aldrich, 97%), crom (VI) oxit (Sigma-Aldrich, 99%), vana- dium (III) clorua (Aldrich, 97%) , scandium (III) nitrat hydrate (Aldrich, 99,9%), N, N-dimethylformamide (Scharlau, 99,5%), thủy fl uoric axit (Sigma-Aldrich, 40%), ethanol (Scharlau, 96%), và acetone ( Scharlau, 99,5%)) là comercially sẵn và sử dụng như là nhận được. MIL-100 (Sc) được chuẩn bị bằng cách hòa tan 0.204 g Sc (NO3) 3? XH2O và 0,084 g acid trimesic trong 15 ml của N, N-dimethylformamide (DMF). Hỗn hợp phản ứng được khuấy ở nhiệt độ phòng trong 30 phút. Sau đó, hỗn hợp dung dịch được chuyển vào một Te fl on- nồi hấp lót (23 ml) và đun nóng ở 423 K 36 h. Sau khi làm mát đến nhiệt độ phòng, các sản phẩm bột màu trắng được thu thập bởi fi ltration, rửa sạch với DMF, và sấy khô ở nhiệt độ phòng. Để loại bỏ các DMF cư trú tại các lỗ chân lông của MIL-100 (Sc), các mẫu như được tổng hợp đã được điều trị solvothermally trong ethanol tại 373 K trong 16 giờ và sau đó được thu thập bởi fi ltration, và sấy khô ở nhiệt độ phòng. MIL-100 (V) đã được tổng hợp bằng cách trộn 0,628 g VCl3 và 0,588 g triethyl-1,3,5-benzenetricarboxylate trong 5 ml nước cất. Quá trình tổng hợp được thực hiện trong một fl Te trên lót nồi hấp (23 ml) ở 493 K 72 h. Sản phẩm đã được giữ lại bởi fi ltration như một loại bột màu xanh lục và rửa với ethanol nóng để tái di chuyển các phối tử không phản ứng. Cuối cùng nó đã được rửa sạch với nước cất và sấy khô ở 373 K dưới không khí. MIL-100 (Cr) được chuẩn bị bằng cách trộn 0,5 g CrO3, 1,05 g axit trimesic, và 1,0 ml dung dịch thủy 5 M giải pháp fl uorohydric trong 24 ml nước cất. Bùn được khuấy trong một vài phút ở nhiệt độ phòng và sau đó giới thiệu trong một fl Te trên lót clave auto (45 ml) và thiết lập cho 96 h ở 493 K. Kết quả là màu xanh lá cây rắn đã được rửa sạch với nước cất và acetone và sấy khô ở phòng nhiệt độ dưới bầu không khí không khí. Các vật liệu tổng hợp đã được kiểm tra bằng bột X-ray phần biệt. Các diffractograms của các sản phẩm thu được cho thấy trong
hình. 1. Xem cấu trúc của MIL-100: (a) trimer của octahedra kim loại, và (b) đại diện tridimensional schematic của supertetrahedra xây dựng từ trimer của octahedra kim loại và trimesate ligand cứng nhắc. Các nguyên tử kim loại, carbon và oxy được mô tả như hình cầu màu xanh, màu xám và màu đỏ tương ứng. (Đối với giải thích của các tài liệu tham khảo để màu trong fi này huyền thoại Hình vẽ, người đọc được gọi phiên bản web của bài viết này.)
5 10 15 20 25 30 35
(c)
(b)
2-theta (độ)
(a)
Hình. 2. diffractograms nhiễu xạ tia X (Cu-Ka bức xạ) của: (a). MIL-100 (Cr), (b) MIL-100 (Sc) và (c) MIL-100 (V) mẫu
CP Cabello et al ./Microporous và mao liệu 190 (2014) 234-239 235
tất cả các trường hợp cristallinity tốt, và tất cả các dòng nhiễu xạ có thể được gán cho các kiểu cấu trúc tương ứng, như thể hiện trong hình. 2. Đối với phổ hồng ngoại, bánh xốp tự hỗ trợ mỏng của các mẫu của Bộ Tài chính là quá trình chuẩn bị