Адсорбционные свойства поверхностно-слойного адсорбента на основе широкопористого SiO2 и металл-органического каркасного полимера MIL-100(Cr) по отношению к летучим органическим соединениям разных классов

Кирилл Александрович  Копытин; Юлия Вячеславовна  Мартина; Михаил Юрьевич  Парийчук; Людмила Артемовна  Онучак

doi:10.17308/sorpchrom.2023.23/11570

Кирилл Александрович Копытин Самарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. Королева, Самара, Россия
Юлия Вячеславовна Мартина Самарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. Королева, Самара, Россия
Михаил Юрьевич Парийчук Самарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. Королева, Самара, Россия
Людмила Артемовна Онучак Самарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. Королева, Самара, Россия

DOI: https://doi.org/10.17308/sorpchrom.2023.23/11570

Ключевые слова: металл-органический каркасный полимер, газовая хроматография, поверхностно-слойные адсорбен-ты, термодинамические характеристики адсорбции, разделение изомеров, комплексы «гость-хозяин»

Аннотация

С использованием метода обращенной газовой хроматографии проведено исследование адсорбционных и селективных свойств композиционного поверхностно-слойного адсорбента SiO₂/MIL-100(Cr). Композит получали на основе диоксида кремния и MIL-100(Cr) – бензол-1,3,5-трикарбоксилата Cr(III), представляющего собой мезопористый металл-органический полимерный каркас (МОКП). Методом низкотемпературной адсорбции/десорбции азота определены текстурные характеристики исходного MIL-100(Cr) и композита с ним. Установлено резкое снижение удельной площади поверхности композита по сравнению с синтезированным МОКП, объясняющееся небольшим массовым содержанием последнего (15 %) относительно кремнеземного носителя. На основании экспериментальных данных рассчитаны термодинамические характеристики адсорбции различных углеводородов и хлорпроизводных метана на поверхностно-слойном адсорбенте. Анализ удельных удерживаемых объемов и термодинамических характеристик адсорбции позволяет сделать вывод, что композиционный адсорбент проявляет смешанный механизм адсорбции. В зависимости от природы адсорбата, формы и размеров его молекулы проявляются различные типы межмолекулярных взаимодействий, а также наблюдается ситовый эффект. На примере циклогексана продемонстрирована возможность прохождения его молекул только в поры одного типа каркаса из-за несоответствия размерам окна поры. Предложено рассматривать взаимодействие молекул адсорбатов с пористой структурой MIL-100(Cr) в рамках комплексообразования «гость-хозяин» по аналогии с макроциклическими соединениями. Поверхностно-слойный адсорбент SiO₂/MIL-100(Cr) проявил селективные свойства по отношению к изомерным алканам и аренам. Фактор разделения для изомерных октанов при 160℃ составил 1.4 для пары 2,3,4-триметилпентан/2,2,4-триметилпентан и 1.5 для пары 2,3-диметилгексан/2,2,4-триметилпентан. В случае изомеров ксилола наибольшее значение фактора разделения наблюдалось для о- и м-ксилолов (α_о/м = 1.2).

Скачивания

Данные скачивания пока не доступны.

Биографии авторов

Кирилл Александрович Копытин, Самарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. Королева, Самара, Россия

к.х.н., доцент кафедры физической химии и хроматографии Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П. Королева, Самара, Россия

Юлия Вячеславовна Мартина, Самарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. Королева, Самара, Россия

аспирант кафедры физической химии и хроматографии Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П. Королева, Самара, Россия

Михаил Юрьевич Парийчук, Самарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. Королева, Самара, Россия

аспирант кафедры физической химии и хроматографии Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П. Королева, Самара, Россия

Людмила Артемовна Онучак, Самарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. Королева, Самара, Россия

д.х.н., профессор, зав.кафедрой физической химии и хроматографии Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П. Королева, Самара, Россия

Литература

Maselko J., Self-organization as a new method for synthesizing smart and structured materials, Materials Science and Engineering: C, 1996; 4(3): 199-204. https://doi.org/10.1016/S0928-4931(96)00146-4

Drain C.M., Self-organization of self-assembled photonicmaterials into functional devices: Photo-switched conductors, PNAS, 2002; 99(8): 5178-5182. https://doi.org/10.1073/pnas.062635099

Hosono N., Kitagawa S., Modular Design of Porous Soft Materials via Self-Organization of Metal-Organic Cages, Acc. Chem. Res., 2018; 51(10): 2437-2446. https://doi.org/10.1021/acs.accounts.8b00361

Wang J., Huang M.J., Baker-Sediako R.D., Kapral R., Aranson I.S., Forces that control self-organization of chemically-propelled Janus tori, Commun. Phys., 2022; 5(176). https://doi.org/10.1038/s42005-022-00953-9

Kato H., Noh J., Hara M., Kawai M., An HREELS Study of Alkanethiol Self-Assembled Monolayers on Au(111), J. Phys. Chem. C, 2002; 106(37): 9655-9658. https://doi.org/10.1021/jp020968c

Onuchak L.A., Lapshin S.V., Kudryashov S.Yu., Akopova O.B., Adsorption and selective retention of organic compounds by graphitized thermal black modified with a nematic crown ether, Russ. J. Phys. Chem. A., 2005; 79(5): 817-819

Innocenzi P., Mesoporous ordered films via self-assembly: trends and perspectives, Chem. Sci., 2022; 13: 13264-13279. https://doi.org/10.1039/D2SC04828K.

Babutan I., Todor-Boer O., Atanase L.I., Vulpoi A., Botiz I., Self-Assembly of Block Copolymers in Thin Films Swollen-Rich in Solvent Vapors, Polymers, 2023; 15(8): 1900. https://doi.org/10.3390/polym15081900

Kotova A.A., Thiebaut D., Vial J., Tissot A., Serre C., Metal-organic frameworks as stationary phases for chromatography and solid phase extraction: A review, Coord. Chem. Rev., 2022; 455: 214364. https://doi.org/10.1016/j.ccr.2021.214364

Tian Y., Zhu G., Porous Aromatic Frameworks (PAFs), Chem. Rev., 2020; 120(16): 8934-8986. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.9b00687

Freund R., Zaremba O., Arnauts G., Ameloot R., Skorupskii G., Dincă M., Bavykina A., Gascon J., Ejsmont A., Gościańska J., Kalmutzki M., Lächelt U., Ploetz E., Diercks C., Wuttke S., The Current Status of MOF and COF Applications, Angew. Chem. Int. Ed., 2021; https://doi.org/10.1002/anie.202106259

Dodziuk H. Cyclodextrins and their complexes. Weinheim, Wiley-VCH, 2006, 507 p.

Cserhati T., Forgacs E. Cyclodextrins in chromatography. Cambridge, RSC, 2003, 158 p.

Yusuf V.F., Malek N.I., Kailasa S.K., Review on Metal-Organic Framework Classification, Synthetic Approaches, and Influencing Factors: Applications in Energy, Drug Delivery, and Wastewater Treatment, ACS Omega, 2022; 7(49): 44507-44531. https://doi.org/10.1021/acsomega.2c05310

Onuchak L.A., Kopytin K.A., Kuraeva Y.G., Pariichuk M.Yu., Martina Y.V., Vinogradov N.A., Alexandrov E.V. Adsorption properties and gas chromatographic application of a composite surface-layer sorbent with Terephthalic acid-based metal-organic framework, J. Chromatogr. A., 2022; 1679: https://doi.org/10.1016/j.chroma.2022.463373.

Kudryashov S.Yu., Arutyunov Yu.I., Onuchak L.A., New methods for determining the volumetric flow rate in the column and the retention time of the unretained substance in gas chromatography, Russ. J. Phys. Chem. A., 2007; 81(1) 102-107.

Férey G., Serre C., Mellot-Draznieks C., Millange F., Surble S., Dutour J., Margiolaki I., A Hybrid Solid with Giant Pores Prepared by a Combination of Targeted Chemistry, Simulation, and Powder Diffraction, Angew. Chem. Int. Ed., 2004; 43: 6296-6301. https://doi.org/10.1002/anie.200460592

Chen M.-L., Zhou S.-Y., Xu Z., Ding L., Cheng Y.-H., Metal-Organic Frameworks of MIL-100(Fe, Cr) and MIL-101(Cr) for Aromatic Amines Adsorption from Aqueous Solutions, Molecules, 2019; 24: 3718. https://doi.org/10.3390/molecules24203718

Zhong G., Liu D., Zhang J., Applications of Porous Metal-Organic Framework MIL-100(M=Cr,Fe,Sc,Al,V), Cryst. Growth Des., 2018; 18: 12 7730-7744. https://doi.org/10.1021/acs.cgd.8b01353

Kiselev A.V. Mezhmolekuljarnye vzaimodejstvija v adsorbcii i hromatografii. M., Vyssh. shk., 1986, 360 p. (In Russ.)

Tugareva D.A., Onuchak L.A., Kapralova T.S., Kuraeva Yu.G., Kuvshinova S.A., Burmistrov V.A., Sorbtsionnoe pereraspredelenie uglevodorodov i spirtov v sisteme gaz – supramolekulyarnyi zhidkii kristall 4-(2-gidroksietoksi)-4’-tsianoazoksibenzol, Zhidkie kristally i ikh prakticheskoe ispol'zovanie, 2015; 15(1): 81-90. (In Russ.)

Kudryashov S.Yu., Kopytin K.A., Pavlov M.Yu., Onuchak L.A., Kuraeva Yu.G., Adsorption of organic vapors on the carbopack y carbon adsorbent modified with heptakis-(2,3,6-tri-О-methyl)-β-cyclodextrin, Russ. J. Phys Chem. A., 2010; 84(3): 495-502.