DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-47612-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38615115
تاريخ النشر: 2024-04-13
المؤلف: Laigang Hu وآخرون
الموضوع الرئيسي: الأطر العضوية المعدنية: التركيب والتطبيقات
نظرة عامة
تقدم البحث تركيب وتوصيف إطار معدني عضوي قائم على الألمنيوم ذو جدران مزدوجة (MOF) جديد، يُطلق عليه ZJU-520(Al)، والذي يظهر إمكانيات كبيرة لامتصاص البنزين بكميات ضئيلة. يتكون هذا الإطار من سلاسل لولبية من تجمعات AlO\(_6\) وركائز 4,6-Di(4-carboxyphenyl)pyrimidine، ويتميز بمساحة سطح محددة ميكروية كبيرة تبلغ 2235 م\(^2\)ج\(^{-1}\) وتوزيع حجم المسام يتراوح من 9.26 إلى 12.99 Å. ومن الجدير بالذكر أن ZJU-520(Al) يظهر استقرارًا حراريًا وكيميائيًا ممتازًا، حيث يحافظ على سلامته الهيكلية عبر نطاق pH من 4 إلى 12 وحتى درجات حرارة تصل إلى 250 °م.
تبلغ سعة امتصاص ZJU-520(Al) للبنزين بكميات ضئيلة 5.98 مليمول ج\(^{-1}\) عند 298 كلفن وP/P\(_0\) = 0.01، حيث يتم التقاط جزيئات البنزين في موقعين متميزين: بالقرب من تجمعات AlO\(_6\) وبجوار ذرات النيتروجين في الركائز، كما تم تأكيد ذلك من خلال محاكاة Grand Canonical Monte Carlo. علاوة على ذلك، يظهر ZJU-520(Al) قدرة فائقة على فصل البنزين عن السيكلوهكسان بسبب تفضيله الأعلى لامتصاص البنزين. وهذا يضع ZJU-520(Al) كمرشح واعد للتطبيقات في امتصاص وفصل المركبات العضوية المتطايرة (VOCs)، خاصة في البيئات التي تُفضل فيها المواد ذات السمية المنخفضة.
طرق
في قسم الطرق، يوضح المؤلفون كيفية الحصول على المواد الكيميائية والمواد المستخدمة في بحثهم. تم الحصول على جميع المواد الكيميائية التجارية دون تنقية إضافية، مما يضمن نهجًا بسيطًا في تحضير المواد. تشمل المركبات الرئيسية 4,6-Di(4-carboxyphenyl)pyrimidine (H₂DBP، 98%) من شركة Extension Technology Co., Ltd.، ونترات الألمنيوم غير المائية (Al(NO₃)₃•9H₂O، 99%)، وحمض الفورميك (99%)، وN,N-dimethylformamide (DMF، 99%)، والأسيتون (98%)، وKBr (99%) المأخوذة من شركة Aladdin Reagent Co., Ltd. بالإضافة إلى ذلك، تم الحصول على مجموعة متنوعة من المذيبات العطرية مثل البنزين، والتولوين، والإيثيل بنزين، والأورثو-زيلين، والميتا-زيلين، والبارا-زيلين، والسيكلوهكسان، جميعها بمستويات نقاء تزيد عن 98% من شركة Shanghai Macklin Biochemical Co., Ltd. يدعم هذا المصدر الشامل للمواد الكيميائية عالية النقاء موثوقية النتائج التجريبية المقدمة في الدراسة.
مناقشة
يكشف البحث عن ZJU-520(Al)، وهو إطار معدني عضوي قائم على الألمنيوم ذو جدران مزدوجة (MOF)، عن خصائصه الاستثنائية، بما في ذلك مساحة سطح محددة تبلغ 2235 م²/جم، وهي أعلى بكثير من تلك التي تم الإبلاغ عنها سابقًا لإطارات MOFs ذات الجدران المزدوجة. يُظهر المادة حجم مسام إجمالي يبلغ 0.84 سم³/جم وبنية ميكروية تتميز بنوعين من القنوات بأحجام مسام تتراوح من 9.26 إلى 12.99 Å. يظهر ZJU-520(Al) استقرارًا حراريًا ملحوظًا يصل إلى 250 °م واستقرارًا كيميائيًا ممتازًا عبر ظروف pH مختلفة. سعة امتصاصه للبنزين بكميات ضئيلة مرتفعة بشكل ملحوظ عند 5.98 مليمول/جم عند 298 كلفن وP/P₀ = 0.01، متفوقًا على غيره من المواد الممتصة، ويظهر تفاعلات قوية مع جزيئات البنزين من خلال مواقع ربط متعددة.
علاوة على ذلك، يفصل ZJU-520(Al) بشكل فعال البنزين عن السيكلوهكسان، محققًا قيمة انتقائية تبلغ 29.86، وهي أعلى بكثير من تلك الخاصة بالمواد الأخرى. يُعزى هذا الانتقائية إلى تفضيل الامتصاص الأقوى للبنزين، مدعومًا بمحاكاة GCMC التي تحدد موقعين رئيسيين للامتصاص يتأثران بتفاعلات المضيف والضيف. كما أن قابلية إعادة تدوير الإطار جديرة بالثناء، حيث يحافظ على أدائه عبر دورات متعددة. بشكل عام، يقدم ZJU-520(Al) مرشحًا واعدًا للتطبيقات في عمليات امتصاص وفصل البنزين بكميات ضئيلة، مما يبرز إمكانياته في البيئات الصناعية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-47612-x
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38615115
Publication Date: 2024-04-13
Author(s): Laigang Hu et al.
Primary Topic: Metal-Organic Frameworks: Synthesis and Applications
Overview
The research presents the synthesis and characterization of a novel double-walled aluminum-based metal-organic framework (MOF), designated as ZJU-520(Al), which demonstrates significant potential for trace benzene adsorption. This framework, composed of helical chains of AlO\(_6\) clusters and 4,6-Di(4-carboxyphenyl)pyrimidine ligands, features a large microporous specific surface area of 2235 m\(^2\)g\(^{-1}\) and a pore size distribution ranging from 9.26 to 12.99 Å. Notably, ZJU-520(Al) exhibits excellent thermal and chemical stability, maintaining structural integrity across a pH range of 4 to 12 and up to temperatures of 250 °C.
The adsorption capacity of ZJU-520(Al) for trace benzene is reported to be 5.98 mmol g\(^{-1}\) at 298 K and P/P\(_0\) = 0.01, with benzene molecules being captured at two distinct sites: near the AlO\(_6\) clusters and adjacent to the nitrogen atoms of the ligands, as confirmed by Grand Canonical Monte Carlo simulations. Furthermore, ZJU-520(Al) demonstrates a superior ability to separate benzene from cyclohexane due to its higher adsorption affinity for benzene. This positions ZJU-520(Al) as a promising candidate for applications in the adsorption and separation of volatile organic compounds (VOCs), particularly in environments where low-toxicity materials are preferred.
Methods
In the Methods section, the authors detail the procurement of chemicals and materials utilized in their research. All commercial chemicals were acquired without additional purification, ensuring a straightforward approach to material preparation. Key compounds included 4,6-Di(4-carboxyphenyl)pyrimidine (H₂DBP, 98%) from Extension Technology Co., Ltd., and aluminum nitrate nonahydrate (Al(NO₃)₃•9H₂O, 99%), formic acid (99%), N,N-dimethylformamide (DMF, 99%), acetone (98%), and KBr (99%) sourced from Aladdin Reagent Co., Ltd. Additionally, various aromatic solvents such as benzene, toluene, ethylbenzene, ortho-xylene, meta-xylene, para-xylene, and cyclohexane, all with purity levels above 98%, were obtained from Shanghai Macklin Biochemical Co., Ltd. This comprehensive sourcing of high-purity chemicals underpins the reliability of the experimental results presented in the study.
Discussion
The research on ZJU-520(Al), a double-walled aluminum-based metal-organic framework (MOF), reveals its exceptional properties, including a specific surface area of 2235 m²/g, which is significantly higher than that of previously reported double-walled MOFs. The material demonstrates a total pore volume of 0.84 cm³/g and a microporous structure characterized by two types of channels with pore sizes ranging from 9.26 to 12.99 Å. ZJU-520(Al) exhibits remarkable thermal stability up to 250 °C and excellent chemical stability across various pH conditions. Its trace benzene adsorption capacity is notably high at 5.98 mmol/g at 298 K and P/P₀ = 0.01, outperforming other adsorbents, and it shows strong interactions with benzene molecules through multiple binding sites.
Furthermore, ZJU-520(Al) effectively separates benzene from cyclohexane, achieving a selectivity value of 29.86, which is substantially higher than that of other materials. This selectivity is attributed to the stronger adsorption affinity for benzene, supported by GCMC simulations that identify two primary adsorption sites influenced by host-guest interactions. The framework’s recyclability is also commendable, maintaining performance over multiple cycles. Overall, ZJU-520(Al) presents a promising candidate for applications in trace benzene adsorption and separation processes, highlighting its potential in industrial settings.