Please wait a minute...
Frontiers of Chemical Science and Engineering

ISSN 2095-0179

ISSN 2095-0187(Online)

CN 11-5981/TQ

Postal Subscription Code 80-969

2018 Impact Factor: 2.809

Front. Chem. Sci. Eng.    2016, Vol. 10 Issue (1) : 103-107    https://doi.org/10.1007/s11705-015-1552-0
COMMUNICATION
Underlying mechanism of the hydrothermal instability of Cu3(BTC)2 metal-organic framework
Nadeen Al-Janabi,Abdullatif Alfutimie,Flor R. Siperstein,Xiaolei Fan()
School of Chemical Engineering and Analytical Science, The University of Manchester, Oxford Road, Manchester, M13 9PL, UK
 Download: PDF(1214 KB)   HTML
 Export: BibTeX | EndNote | Reference Manager | ProCite | RefWorks
Abstract

Water induced decomposition of Cu3(BTC)2 (BTC= benzene-1,3,5-tricarboxylate) metal-organic framework (MOF) was studied using dynamic water vapour adsorption. Small-angle X-ray scattering, Fourier transform infrared spectroscopy and differential scanning calorimetry analyses revealed that the underlying mechanism of Cu3(BTC)2 MOF decomposition under humid streams is the interpenetration of water molecules into Cu-BTC coordination to displace organic linkers (BTC) from Cu centres.

Keywords hydrothermal stability      metal-organic framework (MOF)      open metal sites (OMSs)      dynamic water vapour adsorption     
Corresponding Author(s): Xiaolei Fan   
Online First Date: 15 January 2016    Issue Date: 29 February 2016
 Cite this article:   
Nadeen Al-Janabi,Abdullatif Alfutimie,Flor R. Siperstein, et al. Underlying mechanism of the hydrothermal instability of Cu3(BTC)2 metal-organic framework[J]. Front. Chem. Sci. Eng., 2016, 10(1): 103-107.
 URL:  
https://academic.hep.com.cn/fcse/EN/10.1007/s11705-015-1552-0
https://academic.hep.com.cn/fcse/EN/Y2016/V10/I1/103
Fig.1  SAXS patterns of (a) activated fresh Cu3(BTC)2, (b) U-25 (used Cu3(BTC)2 after dynamic water vapour adsorption at 25 °C with 0?90% RH) and (c) U-50 (used Cu3(BTC)2 after dynamic water vapour adsorption at 50 °C with 0?90% RH). Insets: representative 2D SAXS patterns
Fig.2  FT-IR spectra of activated fresh Cu3(BTC)2 (solid red), U-25 (solid blue) and U-50 (solid black)
Fig.3  DSC curves of activated fresh Cu3(BTC)2 (solid blue), U-25(solid red) and U-50 (solid green)
1 Zhou   H C, Long   J R, Yaghi   O M. Introduction to metal-organic frameworks. Chemical Reviews, 2012, 112(2): 673–674
2 Chen   Q, Chang   Z, Song   W C, Song   H, Song   H B, Hu   T L, Bu   X H. A controllable gate effect in cobalt(II) organic frameworks by reversible structure transformations. Angewandte Chemie International Edition, 2013, 52(44): 11550–11553
3 Chui   S S, Lo   M F, Charmant   J P, Opren   A G, Williams   I D. A chemically functionalizable nanoporous material [Cu3(TMA)2(H2O)3]n. Science, 1999, 283(5405): 1148–1150
4 Lin   K S, Adhikari   A K, Ku   C N, Chiang   C L, Kuo   H. Synthesis and characterization of porous HKUST-1 metal organic frameworks for hydrogen storage. International Journal of Hydrogen Energy, 2012, 37(18): 13865–13871
5 Li   J R, Ma   Y, McCarthy   M C, Sculley   J, Yu   J, Jeong   H K, Balbuena   P B, Zhou   H C. Carbon dioxide capture-related gas adsorption and separation in metal-organic frameworks. Coordination Chemistry Reviews, 2011, 255(15-16): 1791–1823
6 Liu   J, Thallapally   P K, McGrail   B P, Brown   D R, Liu   J. Progress in adsorption-based CO2 capture by metal-organic frameworks. Chemical Society Reviews, 2012, 41(6): 2308–2322
7 Al-Janabi   N, Hill   P, Torrente-Murciano   L, Garforth   A, Gorgojo-Alonso   P, Siperstein   F, Fan   X. Mapping the Cu-BTC metal-organic framework (HKUST-1) stability envelope in the presence of water vapour for CO2 adsorption from flue gases. Chemical Engineering Journal, 2015, 281: 669–677
8 Low   J J, Benin   A I, Jakubczak   P, Abrahamian   J F, Faheem   S A, Willis  R R. Virtual high throughput screening confirmed experimentally: Porous coordination polymer hydration. Journal of the American Chemical Society, 2009, 131(43): 15834–15842
9 Gul-E-Noor   F, Jee   B, Poeppl   A, Hartmann   M, Himsl   D, Bertmer   M. Effects of varying water adsorption on a Cu3(BTC)2 metal-organic framework (MOF) as studied by H1 and C13 solid-state NMR spectroscopy. Physical Chemistry Chemical Physics, 2011, 13(17): 7783–7788
10 DeCoste   J B, Peterson   G W, Schindler   B J, Killops   K L, Browe   M A, Mahle   J J. The effect of water adsorption on the structure of the carboxylate containing metal-organic frameworks Cu-BTC, Mg-MOF-74, and UiO-66. Journal of Materials Chemistry A, 2013, 1(38): 11922–11932
11 Sun   X, Li   H, Li   Y, Xu   F, Xiao   J, Xia   Q, Li   Y, Li   Z. A novel mechanochemical method for reconstructing the moisture-degraded HKUST-1. Chemical Communications, 2015, 51: 10835–10838
12 Rezk   A,  Al-Dadah    R,  Mahmoud   S,  Elsayed   A. Characterisation of metal organic frameworks for adsorption cooling. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2012, 55(25-26): 7366–7374
13 Schoenecker   P M, Carson   C G, Jasuja   H, Flemming   C J J, Walton   K S. Effect of water adsorption on retention of structure and surface area of metal–organic frameworks. Industrial and Engineering Chemistry Research, 2012, 51(18): 6513–6519
14 Gul-E-Noor   F, Michel   D, Krautscheid   H, Haase   J, Bertmer   M. Time dependent water uptake in Cu3(BTC)2 MOF: Identification of different water adsorption states by 1H MAS NMR. Microporous and Mesoporous Materials, 2013, 180: 8–13
15 Küsgens   P, Rose   M, Senkovska   I, Fröde   H, Henschel   A, Siegle   S, Kaskel   S. Characterization of metal-organic frameworks by water adsorption. Microporous and Mesoporous Materials, 2009, 120(3): 325–330
16 Shoaee   M, Anderson   M W, Attfield   M P. Crystal growth of the nanoporous metal-organic framework HKUST-1 revealed by in situ atomic force microscopy. Angewandte Chemie International Edition, 2008, 47(44): 8525–8528
17 Schlichte   K, Kratzke   T, Kaskel   S. Improved synthesis, thermal stability and catalytic properties of the metal-organic framework compound Cu3(BTC)2. Microporous and Mesoporous Materials, 2004, 73(1-2): 81–88
18 Prestipino   C, Regli   L, Vitillo   J G, Bonino   F, Damin   A, Lamberti   C, Zecchina   A, Solari   P L, Kongshaug   K O, Bordiga   S. Local structure of framework Cu(II) in HKUST-1 metallorganic framework: Spectroscopic characterization upon activation and interaction with adsorbates. Chemistry of Materials, 2006, 18(5): 1337–1346
19 Nguyen   L T L, Nguyen   T T, Nguyen   K D, Phan   N T S. Metal-organic framework MOF-199 as an efficient heterogeneous catalyst for the aza-Michael reaction. Applied Catalysis A: General, 2012, 425-426: 44–52
20 Müllera   E A, Gubbins   K E. Molecular simulation study of hydrophilic and hydrophobic behavior of activated carbon surfaces. Carbon, 1998, 36(10): 1433–1438
[1] Supplementary Material Download
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed