[en] Using high-throughput instrumentation to screen conditions, the reaction between FeCl2 and H3BTT.2HCl(BTT3-=1,3,5-benzenetristetrazolate) in a mixture of DMF and DMSO was found to afford Fe3[(Fe4Cl)3(BTT)8]2.22DMF.32DMSO.11H2O. THis compound adopts a porous three-dimensional framework structure consisting of squre [Fe4CL]2+ units linked via triangulat BTT3- bridging ligands to give an anionic 3.8-net. Mossbauer spectroscopy carried out on a DMF-solvated version of the material indicated the framework to contain high-spin Fe2+ with a distribution of local environments and confirmed the presence of extra-framework iron cations. Upon soaking the compound in methanol and heating at 135 C for 24 h under dynamic vacuum, most of the solvent is removed to yield Fe3[(Fe4Cl)3(BTT)8(MeOH)4]2(Fe-BTT), a microporous solid with a BET surface area of 2010 m2g-1 and open Fe2+ coordination sites. Hydrogen adsorption data collected at 77 K show a steep rise in the isotherm, associated with an initial isosteric heat of adsorption of 11.9 kJ/mol, leading to a total storage capacity of 1.1 wt% and 8.4 g/L at 100 bar and 298 K. Powder neutron diffraction experiments performed at 4 K under various D2 loadings enabled identification of ten different adsorption sites. with the strongest binding site residing just 2.17(5) Å from the framework Fe2+ cation. Inelastic neutron scattering spectra are consistent with the strong rotational hindering of the H2 molecules at low loadings, and further reveal the catalytic conversion of ortho-H2 to para-H2 by the paramagnetic iron centers. The exposed Fe2+ cation sites within Fe-BTT also lead to the selective adsorption of CO2 over N2, with isotherms collected at 298 K indicating uptake ratios of 30.7 and 10.8 by weight at 0.1 and 1.0 bar, respectively.
Disciplines :
Chemistry
Author, co-author :
Sumida, Kenji
Horike, S
Kaye, S.S.
Herm, Zoey
Queen, Wendy
Brown, Craig M
Grandjean, Fernande ; Université de Liège - ULiège > Département de physique > Département de physique
Long, Gary J
Daily, Ann
Long, Jeffrey R.
Language :
English
Title :
Hydrogen Storage and Carbon Dioxide Capture in an Iron-Based Sodalite-Type Metal-Organic Framework (Fe-BTT) Discovered via High-Throughput Methods
Publication date :
2010
Journal title :
Chemical Science
ISSN :
2041-6520
eISSN :
2041-6539
Publisher :
Royal Society of Chemistry, London, United Kingdom
M. Eddaoudi J. Kim N. Rosi D. Vodak J. Wachter M. O'Keeffe O. M. Yaghi Science 2002 295 469
S. Kitagawa R. Kitaura S.-I. Noro Angew. Chem., Int. Ed. 2004 43 2334
R. Matsuda R. Kitaura S. Kitagawa Y. Kubota R. V. Belosludov T. C. Kobayashi H. Sakamoto T. Chiba M. Takata Y. Kawazoe Nature 2005 436 238
A. R. Millward O. M. Yaghi J. Am. Chem. Soc. 2005 127 17998
H. Furukawa M. A. Miller O. M. Yaghi J. Mater. Chem. 2007 17 3197
G. Férey Chem. Soc. Rev. 2008 37 191
S. Ma D. Sun J. M. Simmons C. D. Collier D. Yuan H.-C. Zhou J. Am. Chem. Soc. 2008 130 1012
R. E. Morris P. S. Wheatley Angew. Chem., Int. Ed. 2008 47 4966
P. L. Llewellyn S. Bourrelly C. Serre A. Vimont M. Daturi L. Hamon G. De Weireld J.-S. Chang D.-Y. Hong Y. K. Hwang S. H. Jhung G. Férey Langmuir 2008 24 7245
L. J. Murray M. Dinc J. R. Long Chem. Soc. Rev. 2009 38 1294
S. Horike S. Shimomura S. Kitagawa Nat. Chem. 2009 1 695
M. Latroche S. Surblé C. Serre C. Mellot-Draznieks P. L. Llewellyn J.-H. Lee J.-S. Chang S. H. Jhung G. Férey Angew. Chem., Int. Ed. 2006 45 8227
S. S. Kaye A. Dailly O. M. Yaghi J. R. Long J. Am. Chem. Soc. 2007 129 14176
K. Sumida M. R. Hill S. Horike A. Dailly J. R. Long J. Am. Chem. Soc. 2009 131 15120
K. Koh A. G. Wong-Foy A. J. Matzger J. Am. Chem. Soc. 2009 131 4184
S. K. Bhatia A. L. Myers Langmuir 2006 22 1688
P. D. C. Dietzel Y. Morita R. Blom H. Fjellvag Angew. Chem., Int. Ed. 2005 44 6354
M. Dinc J. R. Long J. Am. Chem. Soc. 2005 127 9376
N. L. Rosi J. Kim M. Eddaoudi B. Chen M. O'Keeffe O. M. Yaghi J. Am. Chem. Soc. 2005 127 1504
A. Vimont J.-M. Goupil J.-C. Lavalley M. Daturi S. Surblé C. Serre F. Millange G. Férey N. Audebrand J. Am. Chem. Soc. 2006 128 3218
H. R. Moon N. Kobayashi M. P. Suh Inorg. Chem. 2006 45 8672
M. Dinc A. Dailly Y. Liu C. M. Brown D. A. Neumann J. R. Long J. Am. Chem. Soc. 2006 128 16876
P. D. C. Dietzel B. Panella M. Hirscher R. Blom H. Fjellvag Chem. Commun. 2006 959
M. Dinc W. S. Han Y. Liu A. Dailly C. M. Brown J. R. Long Angew. Chem., Int. Ed. 2007 46 1419
M. Dinc J. R. Long Angew. Chem., Int. Ed. 2008 47 6766
S. R. Caskey A. G. Wong-Foy A. J. Matzger J. Am. Chem. Soc. 2008 130 10870
P. D. C. Dietzel R. Blom H. Fjellvag Eur. J. Inorg. Chem. 2008 3624
Y. Liu H. Kabbour C. M. Brown D. A. Neumann C. C. Ahn Langmuir 2008 24 4772
P. M. Forster J. Eckert J.-S. Chang S.-E. Park G. Férey A. K. Cheetham J. Am. Chem. Soc. 2003 125 1309
M. R. Hartman V. K. Peterson Y. Liu S. S. Kaye J. R. Long Chem. Mater. 2006 18 3221
P. M. Forster J. Eckert B. D. Heiken J. B. Parise J. W. Yoon S. H. Jhung J.-S. Chang A. K. Cheetham J. Am. Chem. Soc. 2006 128 16846
P. D. C. Dietzel R. E. Johnsen H. Fjellvag S. Bordiga E. Groppo S. Chavan R. Blom Chem. Commun. 2008 5125
P. D. C. Dietzel V. Besikiotis R. Blom J. Mater. Chem. 2009 19 7362
D. Britt H. Furukawa B. Wang T. G. Glover O. M. Yaghi Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2009 106 20637
A.Ö. Yazaydin R.Q. Snurr T.-H. Park K. Koh J. Liu M. D. LeVan A. I. Benin P. Jakubczak M. Lanuza D. B. Galloway J. J. Low R. R. Willis J. Am. Chem. Soc. 2009 131 18198
W. Zhou H. Wu T. Yildirim J. Am. Chem. Soc. 2008 130 15268
T. R. Whitfield X. Wang L. Liu A. J. Jacobson Solid State Sci. 2005 7 1096
S. Bauer C. Serre T. Devic P. Horcajada J. Marrot G. Férey N. Stock Inorg. Chem. 2008 47 7568
C. Volkringer D. Popov T. Loiseau G. Férey M. Burghammer C. Riekel M. Haouas F. Taulelle Chem. Mater. 2009 21 5695
P. Horcajada T. Chalati C. Serre B. Gillet C. Sebrie T. Baati J. F. Eubank D. Heurtaux P. Clayette C. Kreuz J.-S. Chang Y. K. Hwang V. Marsaud P.-N. Bories L. Cynober S. Gil G. Férey P. Couvreur R. Gref Nat. Mater. 2010 9 172
G. J. Halder K. W. Chapman S. M. Neville B. Moubaraki K. S. Murray J.-F. Létard C. J. Kepert J. Am. Chem. Soc. 2008 130 17552
S. Ma D. Yuan J.-S. Chang H.-C. Zhou Inorg. Chem. 2009 48 5398
K. Choi D. Gardner N. Hilbrandt T. Bein Angew. Chem., Int. Ed. 1999 38 2891
J. Klein C. W. Lehmann H.-W. Schmidt W. F. Maier Angew. Chem., Int. Ed. 1998 37 3369
L. Zhang J. Yao C. Zeng N. Xu Chem. Commun. 2003 2232
H. Koinuma I. Takeuchi Nat. Mater. 2004 3 429
A. Corma M. Moliner J. M. Serra P. Serna M. J. Díaz-Cabañas L. A. Baumes Chem. Mater. 2006 18 3287
R. Banerjee A. Phan B. Wang C. Knobler H. Furukawa M. O'Keeffe O. M. Yaghi Science 2008 319 939
A. Sonnauer F. Hoffmann M. Fröba L. Kienle V. Duppel M. Thommes C. Serre G. Férey N. Stock Angew. Chem., Int. Ed. 2009 48 3791
K. S. Walton R. Q. Snurr J. Am. Chem. Soc. 2007 129 8552
T. Düren F. Millange G. Férey K. S. Walton R. Q. Snurr J. Phys. Chem. C 2007 111 15350
W. Linert V. Gutmann O. Baumgartner G. Wiesinger H. Kirchmayr Inorg. Chim. Acta 1983 74 123
Y. E. Cheon M. P. Suh Chem. Commun. 2009 2296
J. G. Vitillo L. Gegli S. Chavan G. Ricchiardi G. Spoto P. D. C. Dietzel S. Bordiga A. Zecchina J. Am. Chem. Soc. 2008 130 8386
B. H. Toby J. Appl. Crystallogr. 2001 34 210
J. Rowsell J. Eckert O. M. Yaghi J. Am. Chem. Soc. 2005 127 14904
Y. Liu C. M. Brown D. A. Neumann V. K. Peterson C. J. Kepert J. Alloys Compd. 2007 446-447 385
F. M. Mulder T. J. Dingemans H. G. Schimmel A. J. Ramirez-Cuesta G. J. Kearley Chem. Phys. 2008 351 72
C. M. Brown Y. Liu T. Yildirim V. K. Peterson C. J. Kepert Nanotechnology 2009 20 204025
T. J. Udovic C. M. Brown J. B. Leao P. C. Brand R. D. Jiggetts R. Zeitoun T. A. Pierce I. Peral J. R. D. Copley Q. Huang D. A. Neumann R. J. Fields Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A 2008 588 406
R. T. Azuah L. R. Kneller Y. Qiu P. L. W. Tregenna-Piggott C. M. Brown J. R. D. Copley R. M. Dimeo J. Res. Natl. Inst. Stand. Technol. 2009 114 241
M. C. Trachtenberg, R. M. Cowan, and D. A. Smith, in Proceedings of the Sixth Annual Conference on Carbon Capture & Sequestration, Pittsburgh, USA, 2007
J. J. Low A. I. Benin P. Jakubczak J. F. Abrahamian S. A. Faheem R. R. Willis J. Am. Chem. Soc. 2009 131 15834
A. Demessence D. M. D'Alessandro M. L. Foo J. R. Long J. Am. Chem. Soc. 2009 131 8784
