Separation of Acetylene from Carbon Dioxide and Ethylene by a Water Stable Microporous Metal-organic Framework with Aligned Imidazolium Groups inside the Channels

 

Jaechul Lee, Chong Yang Chuah, Jaheon Kim, Youngsuk Kim, Nakeun Ko, Younggyu Seo, Kimoon Kim, Tae Hyun Bae, and Eunsung Lee

 

본 연구팀은 이산화탄소 및 에틸렌으로부터 아세틸렌을 선택적으로 분리하는 다공성 물질을 개발하였다. 아세틸렌은 높은 폭발성 및 촉매독성을 갖기 때문에, 가스 원료에서 아세틸렌을 제거하는 일은 매우 중요하다. 특히, 이산화탄소와 에틸렌은 매우 유사한 분자 크기 및 물리적 성질을 갖기 때문에 분리하는 데에 어려움이 있다.

본 연구에서는 내부에 이미다졸륨 작용기를 갖는 3차원의 다공성 금속-유기 구조체를 합성하였으며, 이산화탄소와 에틸렌으로부터 아세틸렌을 선택적으로 흡착하는 데에 성공하였다. 이 물질에 혼합가스를 흘려주었을 때 아세틸렌을 선택적으로 분리할 수 있음을 실험적으로 보였다. 또한 탁월한 안정성으로 인해 아세틸렌 흡수 능력의 실질적인 손실 없이 재활용이 가능하였다. 본 연구결과는, 독일화학회에서 발행하는 국제학술지인 안게반테 케미 (Angewandte Chemie)에 게재 승인되었다.

 

Separation of acetylene from carbon dioxide and ethylene is challenging in view of their similar sizes and physical properties. Metal-organic frameworks (MOFs) in general present themselves to be strong candidates for these separations owing to the presence of functional pore surfaces that can selectively capture a specific target molecule. Here, we report a novel 3D microporous cationic framework named JCM-1, which possesses imidazolium functional groups on the pore surfaces and pyrazolate as a metal binding group which is well known to form strong metal to ligand bond. The selective sorption of acetylene over carbon dioxide and ethylene in JCM-1 was successfully demonstrated by the equilibrium gas adsorption analysis as well as the dynamic breakthrough measurement. Furthermore, its excellent hydrolytic stability enabled the separation processes highly recyclable without a substantial loss in acetylene uptake capacity.