Porous crystals are strategic materials with industrial applications within petrochemistry, catalysis, gas storage, and selective separation. Their unique properties are based on the molecular-scale porous character. However, a principal limitation of zeolites and similar oxide-based materials is the relatively small size of the pores, typically in the range of medium-sized molecules, limiting their use in pharmaceutical and fine chemical applications. Metal organic frameworks (MOFs) provided a breakthrough in this respect. New MOFs appear at a high and an increasing pace, but the appearances of new, stable inorganic building bricks are rare. Here we present a new zirconium-based inorganic building brick that allows the synthesis of very high surface area MOFs with unprecedented stability. The high stability is based on the combination of strong Zr−O bonds and the ability of the inner Zr6-cluster to rearrange reversibly upon removal or addition of μ3-OH groups, without any changes in the connecting carboxylates. The weak thermal, chemical, and mechanical stability of most MOFs is probably the most important property that limits their use in large scale industrial applications. The Zr−MOFs presented in this work have the toughness needed for industrial applications; decomposition temperature above 500 °C and resistance to most chemicals, and they remain crystalline even after exposure to 10 tons/cm2 of external pressure.

Liquid hydrocarbon fuels play an essential part in the global energy chain, owing to their high energy density and easy transportability. Olefins play a similar role in the production of consumer goods. In a post-oil society, fuel and olefin production will rely on alternative carbon sources, such as biomass, coal, natural gas, and CO(2). The methanol-to-hydrocarbons (MTH) process is a key step in such routes, and can be tuned into production of gasoline-rich (methanol to gasoline; MTG) or olefin-rich (methanol to olefins; MTO) product mixtures by proper choice of catalyst and reaction conditions. This Review presents several commercial MTH projects that have recently been realized, and also fundamental research into the synthesis of microporous materials for the targeted variation of selectivity and lifetime of the catalysts.

Through a combined use of experimental and theoretical approaches such as XRPD, EXAFS, IR, and UV−vis spectroscopies and ab initio periodic DFT calculations, we report a detailed characterization of structural, vibrational, and electronic properties of UiO-66 (Zr-BDC MOF) in its hydroxylated and dehydroxylated forms. The stability of the materials with respect to the most common solvents, acids, and bases is determined by combining XRPD and TGA/MS techniques. The structures of the two forms of UiO-66 are refined through an interactive XRPD/EXAFS approach and validated by ab initio calculations. Experimental and calculated IR spectra are reported and compared to enlighten the nature of vibrational modes upon dehydroxylation and to show the complete reversibility of the dehydration/hydration phenomenon. Experimental and calculated band gaps are also reported and compared. In this work, we show the necessity to combine, in a synergic way, different experimental techniques and periodic ab initio approaches to disclose and fully understand the nature of complex novel materials such as UiO-66 on structural, vibrational, and electronic grounds. The correct structure refinement could not be possible using one of these three approaches alone, in particular, XRPD data were unable to detect an important distortion of the Zr6O6 units of the dehydrated material that was, however, foreseen in the ab initio calculations and measured in the EXAFS spectra.

The process of carbon capture and sequestration has been proposed as a method of mitigating the build-up of greenhouse gases in the atmosphere. If implemented, the cost of electricity generated by a fossil fuel-burning power plant would rise substantially, owing to the expense of removing CO2 from the effluent stream. There is therefore an urgent need for more efficient gas separation technologies, such as those potentially offered by advanced solid adsorbents. Here we show that diamine-appended metal-organic frameworks can behave as ‘phase-change’ adsorbents, with unusual step-shaped CO2 adsorption isotherms that shift markedly with temperature. Results from spectroscopic, diffraction and computational studies show that the origin of the sharp adsorption step is an unprecedented cooperative process in which, above a metal-dependent threshold pressure, CO2 molecules insert into metal-amine bonds, inducing a reorganization of the amines into well-ordered chains of ammonium carbamate. As a consequence, large CO2 separation capacities can be achieved with small temperature swings, and regeneration energies appreciably lower than achievable with state-of-the-art aqueous amine solutions become feasible. The results provide a mechanistic framework for designing highly efficient adsorbents for removing CO2 from various gas mixtures, and yield insights into the conservation of Mg2+ within the ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase family of enzymes. A cooperative insertion mechanism for CO2 adsorption is shown to generate highly efficient adsorbents for carbon capture applications. Advanced solid adsorbents are being investigated as potential agents for efficient gas separation technologies that could help make carbon capture technologies more economical. This paper probes the mechanism of carbon dioxide adsorption of a previously reported diamine-appended metal-organic framework. This material demonstrates unusual and potentially practically useful adsorption properties. The authors find that CO2 adsorbs through insertion into the highly stable metal-amine bonds of the metal-organic framework. As a consequence of the homogenous and perfect spacing of amines, as dictated by the framework's topology, the insertion of a single CO2 molecule induces neighbouring sites to also adsorb CO2 in an unprecedented chain reaction process.

Presented in this paper is a deep investigation into the defect chemistry of UiO-66 when synthesized in the presence of monocarboxylic acid modulators under the most commonly employed conditions. We unequivocally demonstrate that missing cluster defects are the predominant defect and that their concentration (and thus the porosity and composition of the material) can be tuned to a remarkable extent by altering the concentration and/or acidity of the modulator. Finally, we attempt to rationalize these observations by speculating on the underlying solution chemistry.

This study examined the reaction mechanism with respect to both catalyst deactivation and product formation in the conversion of methanol to hydrocarbons over zeolite H-ZSM-5. The reactivity of the organics residing in the zeolite voids during the reaction was assessed by transient 12C/13C methanol-switching experiments. In contrast to previously investigated catalysts (H-SAPO-34 and H-beta), hexamethylbenzene is virtually unreactive in H-ZSM-5 and is thus not a relevant reaction intermediate for alkene formation. However, the lower methylbenzenes are reaction intermediates in a hydrocarbon pool-type mechanistic cycle and are responsible for the formation of ethene and propene. An additional reaction cycle not applicable for ethene also must be taken into account. The C3+ alkenes are to formed through rapid alkene methylation and cracking steps to a considerable extent; thus, methanol is converted to hydrocarbons according to two catalytic cycles over H-ZSM-5. Moreover, in contrast to what occurs for large-pore zeolites/zeotypes, molecules larger than hexamethylbenzenes are not built up inside the H-ZSM-5 channels during deactivation. Thus, deactivation is explained by coke formation on the external surface of the zeolite crystallites only. This is a plausible rationale for the superior lifetime properties of H-ZSM-5 in the methanol-to-hydrocarbon reaction.

ADVERTISEMENT RETURN TO ISSUEPREVCommunicationNEXTTuned to Perfection: Ironing Out the Defects in Metal–Organic Framework UiO-66Greig C. Shearer†, Sachin Chavan†, Jayashree Ethiraj‡, Jenny G. Vitillo‡, Stian Svelle†, Unni Olsbye†, Carlo Lamberti‡, Silvia Bordiga†‡, and Karl Petter Lillerud*†View Author Information† inGAP Centre for Research Based Innovation, Department of Chemistry, University of Oslo, P.O. Box 1033, N-0315 Oslo, Norway‡ Department of Chemistry, NIS and INSTM Reference Centre, Via Quarello 15, I-10135 Torino, Italy*E-mail: [email protected]Cite this: Chem. Mater. 2014, 26, 14, 4068–4071Publication Date (Web):June 16, 2014Publication History Received22 May 2014Revised13 June 2014Published online7 July 2014Published inissue 22 July 2014https://pubs.acs.org/doi/10.1021/cm501859phttps://doi.org/10.1021/cm501859prapid-communicationACS PublicationsCopyright © 2014 American Chemical SocietyRequest reuse permissionsArticle Views16635Altmetric-Citations643LEARN ABOUT THESE METRICSArticle Views are the COUNTER-compliant sum of full text article downloads since November 2008 (both PDF and HTML) across all institutions and individuals. These metrics are regularly updated to reflect usage leading up to the last few days.Citations are the number of other articles citing this article, calculated by Crossref and updated daily. Find more information about Crossref citation counts.The Altmetric Attention Score is a quantitative measure of the attention that a research article has received online. Clicking on the donut icon will load a page at altmetric.com with additional details about the score and the social media presence for the given article. Find more information on the Altmetric Attention Score and how the score is calculated. Share Add toView InAdd Full Text with ReferenceAdd Description ExportRISCitationCitation and abstractCitation and referencesMore Options Share onFacebookTwitterWechatLinked InRedditEmail Other access optionsGet e-AlertscloseSupporting Info (1)»Supporting Information Supporting Information SUBJECTS:Anions,Defects,Materials,Thermal stability,Thermogravimetric analysis Get e-Alerts

XRD, UV−Vis, EXAFS, XANES, and Raman techniques have been used to study the removal of water molecules coordinated to the Cu(II) framework atoms of the novel HKUST-1 metal-organic framework. The dehydration process preserves the crystalline nature of the material, just causing a reduction of the cell volume due to the shrinking of the [Cu2C4O8] cage. The removal of adsorbed H2O molecule makes the framework Cu(II) sites available for interaction with other probe molecules. In situ IR spectroscopy has evidenced the formation at liquid nitrogen temperature of labile Cu(II)···CO adducts characterized by a ν̃(C−O) = 2178 cm-1 and at 15 K of Cu(II)···H2 adducts characterized by a ν̃(H−H) = 4100 cm-1. To the best of our knowledge, we have observed for the first time a clear signal of Cu(II) carbonyl and dihydrogen complexes formed inside a crystalline microporous hosting matrix. The sinking of the oxygens of the carboxyl units, undergone by the Cu(II) framework ions in the dehydration process, is responsible for the rather low coordinative unsaturation of Cu(II). The important shielding effect of the four oxygen framework atoms is testified by the low polarization factor of the Cu(II) site probed by both CO and H2 molecules.

The application of IR, Raman, UV–visible, EPR, XANES, EXAFS, and TPR techniques to the determination of the Fe3+local environment in Fe-silicalite is described and discussed. These methods give information concerning the structural changes of the zeolitic structure, upon thermal treatments and interaction with adsorbates. In particular the effect of template burning at 773 K or at 973 K on the local Fe3+environment has been discussed in detail. The reactivity of the zeolite towards NH3has also been considered.

MOF-5 is the archetype metal−organic framework and has been subjected to numerous studies the past few years. The focal point of this report is the pitfalls related to the MOF-5 phase identification based on powder XRD data. A broad set of conditions and procedures have been reported for MOF-5 synthesis. These variations have led to materials with substantially different adsorption properties (specific surface areas in the range 700 to 3400 m2/g). The relatively low weight loss observed for some as synthesized samples upon solvent removal is also indicative of a low pore volume. Regrettably, these materials have all been described as MOF-5 without any further comments. Furthermore, the reported powder XRD patterns hint at structural differences: The variations in surface area are accompanied by peak splitting phenomena and rather pronounced changes in the relative peak intensities in the powder XRD patterns. In this work, we use single-crystal XRD to investigate structural differences between low and high surface area MOF-5. The low surface area MOF-5 sample had two different classes of crystals. For the dominant phase, Zn(OH)2 species partly occupied the cavities. The presence of Zn species makes the hosting cavity and possibly also adjacent cavities inaccessible and thus efficiently reduces the pore volume of the material. Furthermore, the minor phase consisted of doubly interpenetrated MOF-5 networks, which lowers the adsorption capacity. The presence of Zn species and lattice interpenetration changes the symmetry from cubic to trigonal and explains the peak splitting observed in the powder XRD patterns. Pore-filling effects from the Zn species (and partly the solvent molecules) are also responsible for the pronounced variations in powder XRD peak intensities. This latter conclusion is particularly useful for predicting the adsorption properties of a MOF-5-type material from powder XRD.