A diverse collection of 14 metal−organic frameworks (MOFs) was screened for CO2 capture from flue gas using a combined experimental and modeling approach. Adsorption measurements are reported for the screened MOFs at room temperature up to 1 bar. These data are used to validate a generalized strategy for molecular modeling of CO2 and other small molecules in MOFs. MOFs possessing a high density of open metal sites are found to adsorb significant amounts of CO2 even at low pressure. An excellent correlation is found between the heat of adsorption and the amount of CO2 adsorbed below 1 bar. Molecular modeling can aid in selection of adsorbents for CO2 capture from flue gas by screening a large number of MOFs.

Metal−organic frameworks (MOFs) have recently attracted intense research interest because of their permanent porous structures, huge surface areas, and potential applications as novel adsorbents and catalysts. In order to provide a basis for consideration of MOFs for removal of carbon dioxide from gases containing water vapor, such as flue gas, we have studied adsorption equilibrium of CO2, H2O vapor, and their mixtures and also rates of CO2 adsorption in two MOFs: HKUST-1 (CuBTC) and Ni/DOBDC (CPO-27-Ni or Ni/MOF-74). The MOFs were synthesized via solvothermal methods, and the as-synthesized products were solvent exchanged and regenerated before experiments. Pure component adsorption equilibria and CO2/H2O binary adsorption equilibria were studied using a volumetric system. The effects of H2O adsorption on CO2 adsorption for both MOF samples were determined, and the results for 5A and NaX zeolites were included for comparison. The hydrothermal stabilities for the two MOFs over the course of repetitive measurements of H2O and CO2/H2O mixture equilibria were also studied. CO2 adsorption rates from helium for the MOF samples were investigated by using a unique concentration-swing frequency response (CSFR) system. Mass transfer into the MOFs is rapid with the controlling resistance found to be macropore diffusion, and rate parameters were established for the mechanism.

In this work, we demonstrate for the first time the introduction of π-complexation into a porous aromatic framework (PAF), affording significant increase in ethylene uptake capacity, as illustrated in the context of Ag(I) ion functionalized PAF-1, PAF-1-SO3Ag. IAST calculations using single-component-isotherm data and an equimolar ethylene/ethane ratio at 296 K reveal that PAF-1-SO3Ag shows exceptionally high ethylene/ethane adsorption selectivity (Sads: 27 to 125), far surpassing benchmark zeolite and any other MOF reported in literature. The formation of π-complexation between ethylene molecules and Ag(I) ions in PAF-1-SO3Ag has been evidenced by the high isosteric heats of adsorption of C2H4 and also proved by in situ IR spectroscopy studies. Transient breakthrough experiments, supported by simulations, indicate the feasibility of PAF-1-SO3Ag for producing 99.95%+ pure C2H4 in a Pressure Swing Adsorption operation. Our work herein thus suggests a new perspective to functionalizing PAFs and other types of advanced porous materials for highly selective adsorption of ethylene over ethane.

Abstract Nuclear energy is among the most viable alternatives to our current fossil fuel-based energy economy. The mass deployment of nuclear energy as a low-emissions source requires the reprocessing of used nuclear fuel to recover fissile materials and mitigate radioactive waste. A major concern with reprocessing used nuclear fuel is the release of volatile radionuclides such as xenon and krypton that evolve into reprocessing facility off-gas in parts per million concentrations. The existing technology to remove these radioactive noble gases is a costly cryogenic distillation; alternatively, porous materials such as metal–organic frameworks have demonstrated the ability to selectively adsorb xenon and krypton at ambient conditions. Here we carry out a high-throughput computational screening of large databases of metal–organic frameworks and identify SBMOF-1 as the most selective for xenon. We affirm this prediction and report that SBMOF-1 exhibits by far the highest reported xenon adsorption capacity and a remarkable Xe/Kr selectivity under conditions pertinent to nuclear fuel reprocessing.

ConspectusThe total world energy demand is predicted to rise significantly over the next few decades, primarily driven by the continuous growth of the developing world. With rapid depletion of nonrenewable traditional fossil fuels, which currently account for almost 86% of the worldwide energy output, the search for viable alternative energy resources is becoming more important from a national security and economic development standpoint. Nuclear energy, an emission-free, high-energy-density source produced by means of controlled nuclear fission, is often considered as a clean, affordable alternative to fossil fuel. However, the successful installation of an efficient and economically viable industrial-scale process to properly sequester and mitigate the nuclear-fission-related, highly radioactive waste (e.g., used nuclear fuel (UNF)) is a prerequisite for any further development of nuclear energy in the near future. Reprocessing of UNF is often considered to be a logical way to minimize the volume of high-level radioactive waste, though the generation of volatile radionuclides during reprocessing raises a significant engineering challenge for its successful implementation. The volatile radionuclides include but are not limited to noble gases (predominately isotopes of Xe and Kr) and must be captured during the process to avoid being released into the environment. Currently, energy-intensive cryogenic distillation is the primary means to capture and separate radioactive noble gas isotopes during UNF reprocessing. A similar cryogenic process is implemented during commercial production of noble gases though removal from air. In light of their high commercial values, particularly in lighting and medical industries, and associated high production costs, alternate approaches for Xe/Kr capture and storage are of contemporary research interest. The proposed pathways for Xe/Kr removal and capture can essentially be divided in two categories: selective absorption by dissolution in solvents and physisorption on porous materials. Physisorption-based separation and adsorption on highly functional porous materials are promising alternatives to the energy-intensive cryogenic distillation process, where the adsorbents are characterized by high surface areas and thus high removal capacities and often can be chemically fine-tuned to enhance the adsorbate–adsorbent interactions for optimum selectivity. Several traditional porous adsorbents such as zeolites and activated carbon have been tested for noble gas capture but have shown low capacity, selectivity, and lack of modularity. Metal–organic frameworks (MOFs) or porous coordination polymers (PCPs) are an emerging class of solid-state adsorbents that can be tailor-made for applications ranging from gas adsorption and separation to catalysis and sensing. Herein we give a concise summary of the background and development of Xe/Kr separation technologies with a focus on UNF reprocessing and the prospects of MOF-based adsorbents for that particular application.

Abstract Low‐cost renewable lignin has been used as a precursor to produce porous carbons. However, to date, it has not been easy to obtain high surface area porous carbon without activation processes or templating agents. Here, we demonstrate that low molecular weight lignin yields highly porous carbon with more graphitization through direct carbonization without additional activation processes or templating agents. We found that molecular weight and oxygen consumption during carbonization are critical factors to obtain high surface area, graphitized porous carbons. This highly porous carbon from low‐cost renewable lignin sources is a good candidate for supercapacitor electrode materials.

This article uses an in-situ sealing strategy to obtain a lithium-ion battery electrode covered with a carbon film and formed by reconstructing carbon quantum dots (CDs) onto Na 5 V 12 O 32 (NVO) nanowires.

The results establish the adsorption capacity, kinetics, interaction strength of pyridine/indole with sorbents and regeneration, highlighting silica gel's potential as an efficient and cost-effective adsorbent for biofuel nitrogen compounds removal.