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.

Key words： metal-organic framework (MOF); open metal sites (OMSs); dynamic water vapour adsorption; hydrothermal stability

Acknowledgements

This work was supported by the EPS Strategic Fund and the CEAS Pump Priming Project, The University of Manchester. NAJ acknowledges The Higher Committee for Education Development in Iraq for a postgraduate research scholarship. We would like to thank Dr. P. A. Martin (CEAS, The University of Manchester) for many useful discussions. We are also grateful for Prof. R. Davey (CEAS, The University of Manchester) for the PXRD and FTIR measurements.

ƒSupplementary material is available in the online version of this article at http://dx.doi.org/10.1007/s11705-015-1552-0 and is accessible for authorized users.

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