A series of four isostructural microporous coordination polymers (MCPs) differing in metal composition is demonstrated to exhibit exceptional uptake of CO2 at low pressures and ambient temperature. These conditions are particularly relevant for capture of flue gas from coal-fired power plants. A magnesium-based material is presented that is the highest surface area magnesium MCP yet reported and displays ultrahigh affinity based on heat of adsorption for CO2. This study demonstrates that physisorptive materials can achieve affinities and capacities competitive with amine sorbents while greatly reducing the energy cost associated with regeneration.

Saturation H2 uptake in a series of microporous metal−organic frameworks (MOFs) has been measured at 77 K. Saturation pressures vary between 25 and 80 bar across the series, with MOF-177 showing the highest uptake on a gravimetric basis (7.5 wt %) and IRMOF-20 showing the highest uptake on a volumetric basis at 34 g/L. These results demonstrate that maximum H2 storage capacity in MOFs correlates well to surface area, and that feasible volumetric uptakes can be realized even in highly porous materials.

Mixing it up: UMCM-1 (University of Michigan Crystalline Material-1), a mesoporous material with unprecedented levels of microporosity, arises from the coordination copolymerization of a dicarboxylate and a tricarboxylate linker mediated by zinc (see picture; blue tetrahedra Zn4O clusters, C gray, H white, O red). Exceptionally high surface area derives from the microporous cages lining the 1D mesoporous channels. Supporting information for this article is available on the WWW under http://www.wiley-vch.de/contents/jc_2002/2008/z705020_s.pdf or from the author. Please note: The publisher is not responsible for the content or functionality of any supporting information supplied by the authors. Any queries (other than missing content) should be directed to the corresponding author for the article.

New levels of surface area are achieved in a coordination polymer (UMCM-2, University of Michigan Crystalline Material) derived from zinc-mediated coordination copolymerization of a dicarboxylic and tricarboxylic acid. In addition to a large micropore contribution to the surface area, mesopores are also present. In contrast to the recently reported coordination copolymer UMCM-1, which has a mesoporous channel, UMCM-2 is built from three types of cages. In spite of exceptional porosity, both of these coordination polymers are thermally robust. Hydrogen uptake performance of UMCM-2 approaches 7 wt% at 77 K.

The CO2-capture performance of microporous coordination polymers of the M/DOBDC series (where M = Zn, Ni, Co, and Mg; DOBDC = 2,5-dioxidobenzene-1,4-dicarboxylate) was evaluated under flow-through conditions with dry surrogate flue gas (5/1 N2/CO2). The CO2 capacities were found to track with static CO2 sorption capacities at room temperature, with Mg/DOBDC demonstrating an exceptional capacity for CO2 (23.6 wt %). The effect of humidity on the performance of Mg/DOBDC was investigated by collecting N2/CO2/H2O breakthrough curves at relative humidities (RHs) in the feed of 9, 36, and 70%. After exposure at 70% RH and subsequent thermal regeneration, only about 16% of the initial CO2 capacity of Mg/DOBDC was recovered. However, in the case of Ni/DOBDC and Co/DOBDC, approximately 60 and 85%, respectively, of the initial capacities were recovered after the same treatment. These data indicate that although Mg/DOBDC has the highest capacity for CO2, under the conditions used in this study, Co/DOBDC may be a more desirable material for deployment in CO2 capture systems because of the added costs associated with flue gas dehumidification.

The utility of microporous coordination polymers (MCPs) for the adsorption of large organosulfur compounds (benzothiophene, dibenzothiophene, 4,6-dimethyldibenzothiophene) found in fuels is demonstrated. Large capacities are obtained at both low and high sulfur concentrations. For 4,6-dimethyldibenzothiophene, the compound most difficult to remove using current industrial techniques, a capacity of 41 g S/kg MCP at 1500 ppmw S is achieved by UMCM-150. It was determined that the size/shape of the pores in the MCP, rather than the surface area or pore volume, is the most important factor controlling adsorption capacity.

Few hydrogen adsorbents balance high usable volumetric and gravimetric capacities. Although metal-organic frameworks (MOFs) have recently demonstrated progress in closing this gap, the large number of MOFs has hindered the identification of optimal materials. Here, a systematic assessment of published databases of real and hypothetical MOFs is presented. Nearly 500,000 compounds were screened computationally, and the most promising were assessed experimentally. Three MOFs with capacities surpassing that of IRMOF-20, the record-holder for balanced hydrogen capacity, are demonstrated: SNU-70, UMCM-9, and PCN-610/NU-100. Analysis of trends reveals the existence of a volumetric ceiling at ∼40 g H2 L-1. Surpassing this ceiling is proposed as a new capacity target for hydrogen adsorbents. Counter to earlier studies of total hydrogen uptake in MOFs, usable capacities in the highest-capacity materials are negatively correlated with density and volumetric surface area. Instead, capacity is maximized by increasing gravimetric surface area and porosity. This suggests that property/performance trends for total capacities may not translate to usable capacities.

Mixing two different linkers with the same topology has been applied to make metal-organic frameworks (MOFs) either in one batch or sequentially to generate coordination copolymers with either a randomly mixed or a core-shell composition of linkers.

This paper describes the heterogenization of single-site transition-metal catalysts in metal–organic frameworks (MOFs) via cation exchange. A variety of cationic complexes of Pd, Fe, Ir, Rh, and Ru have been incorporated into ZJU-28, and the new materials have been characterized by optical microscopy, inductively coupled plasma optical emission spectroscopy, and powder X-ray diffraction. MOF-supported [Rh(dppe)(COD)]BF4 catalyzes the hydrogenation of 1-octene to n-octane. The activity of this supported catalyst compares favorably to its homogeneous counterpart, and it can be recycled at least four times. Overall, this work provides a new and general approach for supporting transition-metal catalysts in MOFs.

Because of their high surface areas, crystallinity, and tunable properties, metal–organic frameworks (MOFs) have attracted intense interest as next-generation materials for gas capture and storage. While much effort has been devoted to the discovery of new MOFs, a vast catalog of existing MOFs resides within the Cambridge Structural Database (CSD), many of whose gas uptake properties have not been assessed. Here we employ data mining and automated structure analysis to identify, "cleanup," and rapidly predict the hydrogen storage properties of these compounds. Approximately 20 000 candidate compounds were generated from the CSD using an algorithm that removes solvent/guest molecules. These compounds were then characterized with respect to their surface area and porosity. Employing the empirical relationship between excess H2 uptake and surface area, we predict the theoretical total hydrogen storage capacity for the subset of ∼4000 compounds exhibiting nontrivial internal porosity. Our screening identifies several overlooked compounds having high theoretical capacities; these compounds are suggested as targets of opportunity for additional experimental characterization. More importantly, screening reveals that the relationship between gravimetric and volumetric H2 density is concave downward, with maximal volumetric performance occurring for surface areas of 3100–4800 m2/g. We conclude that H2 storage in MOFs will not benefit from further improvements in surface area alone. Rather, discovery efforts should aim to achieve moderate mass densities and surface areas simultaneously, while ensuring framework stability upon solvent removal.