Интерпретация изотерм адсорбции СО2 на металлорганических каркасах Cu3(BTC)2, MOF-2 и MOF-74
Аннотация
Модель кластерной адсорбции применена к интерпретации изотерм адсорбции углекислого газа на металл-органических каркасах MOF-2, MOF-74 и Cu3(BTC)2. Согласно данной модели на сорбенте формируются мономеры, димеры, кластеры из n-молекул из мономерных молекул сорбтива. Физико-химическая обоснованность адсорбции в форме кластеров заключается в том, что формирование кластеров сорбата обеспечивает более высокую энергию адсорбции по сравнению с фиксацией отдельных молекул вследствие снижения энергии системы за счет вклада в энергию адсорбции сорбат-сорбатных связей. Уравнение изотермы кластерной адсорбции получено аналитически в предыдущих работах, его параметрами являются коэффициенты равновесия реакций образования мономеров и кластеров сорбата, емкость монослоя и структурные характеристики кластеров сорбата, последнее позволяет оценить структуру сорбата. Для однослойной кластерной адсорбции разработан графический способ определения параметров и введен критерий, позволяющий на основе экспериментальных сорбционных данных выявить является ли монослойная адсорбция кластерной или адсорбцией индивидуальных молекул (Ленгмюр). Показано, что для системы Cu3(BTC)2 - СО2 площадь поверхности сорбента достаточна для однослойного покрытия и адсорбция является однослойной. Для анализа характера адсорбции этой системы использован критерий кластеризации, подтвердивший формирование на сорбенте кластеров сорбата. Показано, что при адсорбции на Cu3(BTC)2 кластеры сорбата состоят из 3-4 молекул. Для системы Cu3(BTC)2 - СО2 параметры уравнения изотермы определены графически и методом наименьших квадратов. Параметры изотермы адсорбции СО2 на МОF-2 и MOF-74 найдены методом наименьших квадратов. Показано, что в этом случае адсорбция является двухслойной. На МОF-2 формируются кластеры ~ из 2-3 молекул углекислого газа, из которых ~ 2 молекул лежат в 1 слое и ~ 1 молекула во втором. На поверхности MOF-74 в основном находятся кластеры из 2 молекул с 1-2 молекулами в первом слое.
Скачивания
Литература
Resnik K.P., Yeh J.T., Pennline H.W. Aqua ammonia process for simulta-neous removal of CO₂, SO₂ and Nox. Int. J. Environ. Technol. Manage. 2004; 4(1): 89-104. https://doi.org/10.1504/IJETM.2004.004634
Yeh J.T., Resnik K.P., Rygle K., Pennline H.W. Semibatch absorption and regeneration studies for CO₂ capture by aqueous ammonia. Fuel Process. Technol. 2005; 86(10): 1533-1546. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2005.01.015
Furukawa H., Cordova K. E., O’Keeffe M., Yaghi O. M. The Chemistry and Applications of Metal Organic Frameworks. Science. 2013; 341: 974-988. https://doi.org/10.1126/science.1230444
Safaei M., Foroughi M. M., Ebrahimpoor N., Jahani S., Omidi A., Khatami M. / A review on metal-organic frameworks: Synthesis and applications. Trends Anal. Chem. 2019; 118: 401-425. https://doi.org/10.1016/j.trac.2019.06.007
Saura-Sanmartin A., Pastor A., Mar-tinez-Cuezva A., CutillasFont G., Alajarin M., Berna J. Mechanically interlocked molecules in metal-organic frameworks. Chem. Soc. Rev. 2022; 51: 4949-4976. https://doi.org/10.1039/D2CS00167E
Maia R.A., Louis B., Gao W., Wang Q. CO₂ adsorption mechanisms on MOFs: a case study of open metal sites, ultra-microporosity and flexible framework. React. Chem. Eng. 2021; 6: 1118-1133. https://doi.org/10.1039/D1RE00090J
Mahdavi H., Robin A., Eden N.T. Engineering Insights into Tailored Metal-Organic Frameworks for CO₂ Capture in Industrial Processes. Langmuir. 2024; 40(33): 17387-17395. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.4c01500
Gheytanzadeh M., Baghban A., Habibzadeh S. Towards estimation of CO₂ adsorption on highly porous MOF-based adsorbents using Gaussian process regres-sion approach. Sci. Rep. 2021; 11: 15710. https://doi.org/10.1038/s41598-021-95246-6
Butyrskaya E.V. Single-layer cluster adsorption model and its application for the estimation of the CO₂ structure on metalorganic frameworks. Mater. Today Commun. 2022; 33: 104327. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2022.104327
Butyrskaya E.V., Zapryagaev S.A., Izmailova E.A. Cooperative model of the histidine and alanine adsorption on sin-glewalled carbon nanotubes. Carbon. 2019; 143: 276-287. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2018.10.086
Zapryagaev S.A. Cluster model of the step-shaped adsorption isotherm in metal-organic frameworks. Microporous and Mesoporous Materials. 2021; 322: 111146. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2021.111146
Le, D.T., Butyrskaya, E.V., Eliseeva, T.V. Sorption Interaction be-tween Carbon Nanotubes and Histidine Enantiomers in Aqueous Solutions. Russ. J. Phys. Chem. 2021; 95: 2280-2286. https://doi.org/10.1134/S003602442111011X
Butyrskaya E. Understanding the mechanism of monolayer adsorption from isotherm. Adsorption. 2024; 30: 1395-1406. https://doi.org/10.1007/s10450-024-00512-4
Millward A.R., Yaghi O.M. Metal-Organic frameworks with exceptionally high capacity for Storage of Carbon Diox-ide at Room temperature. J. Am. Chem. Soc. 2005; 127: 17998-17999. https://doi.org/10.1021/ja0570032
McClellan A.L., Harnsberger I.F. Cross-sectional Areas of Molecules Ad-sorbed on Solid Surfaces. J. Colloid Inter-face Sci. 1967; 23: 577-599.
