Underlying mechanism of the hydrothermal instability of Cu₃(BTC)₂ metal-organic framework

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

metal-organic framework (MOF) / open metal sites (OMSs) / dynamic water vapour adsorption / hydrothermal stability

References

[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

RIGHTS & PERMISSIONS

Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg