Water under metal-organic framework confinement: systematic studies of the water sorption behavior and water interactions in one-dimensional pores
Creators: name: Kloß, Marvin
Publisher: name: Universität Paderborn
Year: 2024

description: Das Potenzial von metall-organischen Gerüstverbindungen (kurz MOFs) mit attraktiven Bindungsstellen für sorptionsbasierte Anwendungen wurde in zahlreichen Studien nachgewiesen. Zur Beurteilung ebendieser Netzwerke ist eine detaillierte Kenntnis ihrer Wassersorptionseigenschaften nötig, da vorhandene Wasser-MOF Wechselwirkungen eine Schlüsselrolle spielen. In dieser Arbeit wird ein umfassendes Verständnis des Hydratationsverhaltensvon CPO-27-artigen Netzwerken gewonnen. Es zeigt sich, dass das in CPO-27-M (M= Co, Cu, Mg, Mn, Ni, Zn) enthaltene Metallzentrum die Wasseraufnahme in den eindimensionalen Mikroporen steuert, welche durch die Besetzung der offenen Koordinationsstelle am Metall eingeleitet wird. CPO-27-Zn zeigt ein einzigartiges Verhaltenunter der Besetzung verschiedener Positionen in klar definierten Sorptionsschritten. Die meisten anderen Materialien (M = Co, Mg, Mn, Ni) zeigen Unterschiede in Abhängigkeit vom Metallzentrum. Im Gegensatz dazu zeigt CPO-27-Cu eine Porenkondensation von Wasser ohne Beteiligung des Metallzentrums. Zusätzlich beeinflusst die Struktur adsorbierter Wassermoleküle, insbesondere ihre Wechselwirkungen mit dem MOF, die hydrolytische Stabilität von CPO-27-M entscheidend. Darüber hinaus wird das Hydratationsverhalten von CPO-27-artigen MOFs durch die Porengröße und durch eingebaute Defekte verändert. Eine Vielzahl an Defektstellen beeinflusst den Adsorptionsmechanismus von CPO-27-Ni. Mit zunehmender Porengröße erfolgt eine enthalpiegesteuerte Hydratation ohne Wasser-Porenwand-Wechselwirkungen, was in einer Porenkondensation resultiert, welche durch die Bildung von Wasserbrücken zwischen Wassermolekülen, die an das Metallzentrum koordinieren, initiiert wird.
description: Numerous studies revealed the potential of metal-organic frameworks (MOFs) with strong binding sites for sorption-based applications. To evaluate this, a fundamental understanding of their water sorption characteristics is mandatory, as water-adsorbent interactions play a key role. This work gathers a comprehensive understanding about the hydration behavior of CPO-27-type frameworks. It is found that the incorporated metal center in CPO-27-M (M = Co, Cu, Mg, Mn, Ni, Zn) orchestrates the water uptake into the one-dimensional micropores, governed by coordination of the open metal site. CPO-27-Zn reveals a prototypical behavior, showing occupation of distinct positions in distinguishable sorption steps. Most other materials (M = Co, Mg, Mn, Ni) show severe differences, depending on the metal center. Contrary, water uptake in CPO-27-Cu proceeds entirely differently in one step without participation of the metal center. Additionally, the precise arrangement of water molecules, i.e., their interactions with the host framework, affects the hydrolytic stability of CPO-27-M. Further, the hydration behavior of CPO-27-type frameworks is altered by their pore size and incorporated defect sites. More defect sites alter the adsorption mechanis mof CPO-27-Ni. Increasing pore size results in enthalpy-driven hydration without water-pore wall interactions, showing classical pore condensation, initiated by the formation of water bridges between water molecules coordinating to the metal center.