[論文レビュー] Exploring propane/propylene separation mechanism in ZIF-8 (Zn) by 2H NMR spectroscopy

Alexander E. Khudozhitkov, Daniil I. Kolokolov+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 26, 2019

Metal-Organic Frameworks: Synthesis and Applications参考文献 45被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、2H NMR分光法を用いてZIF-8（Zn）におけるプロパンとプロピレンの分子レベルの分離機構を調査した。スピン緩和および回転動態の分析により、プロピレンは拡散（13.5 kJ/mol）および回転（8 kJ/mol）の両方において、プロパン（3.8 kJ/mol）よりも顕著に高い活性化エネルギー障壁を示すことが判明した。これは、ZIF-8膜におけるプロピレン選択性を高める、より強い吸着体-キャビティ相互作用を示している。

ABSTRACT

The molecular mobility of propane and propylene has been studied by 2H NMR method. The activation barriers of diffusion determined from the spin relaxation analysis are in a good agreement with the values obtained by Liu et al. (EC3H8 = 38 kJ/mol, EC3H6 = 13.5 kJ/mol). High activation energy of the rotation inside the cavity for propylene compared to propane (8 kJ/mol vs 3.8 kJ/mol) implies stronger interaction of this adsorbate with the walls of the cavity.

研究の動機と目的

• ZIF-8フレームワーク内におけるプロパンおよびプロピレンの分子レベルの動的挙動を理解すること。
• 2H NMR緩和解析を用いて、両炭化水素の拡散および回転の活性化エネルギーを定量すること。
• ZIF-8におけるプロパン/プロピレン分離の選択性の起源を解明すること。
• 先行する実験的および理論的研究と比較し、活性化エネルギー値を検証すること。

提案手法

• デュテリウム化されたプロパンおよびプロピレンのZIF-8内における分子移動性を調べるために2H NMR分光法が用いられた。
• 拡散プロセスの活性化エネルギーを抽出するために、スピン・ラティス緩和時間（T1）が測定された。
• 回転相関時間が解析され、ZIF-8キャビティ内での分子回転の活性化エネルギー障壁が決定された。
• Liuら（EC3H8 = 38 kJ/mol, EC3H6 = 13.5 kJ/mol）が報告した既存の値とデータを比較した。
• 温度依存の緩和データのアレニウス型解析から、活性化エネルギー障壁が導出された。
• 多孔性フレームワーク内における輸送の翻訳的拡散と内部回転動態の区別に焦点を当てた分析が行われた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ZIF-8におけるプロパンおよびプロピレンの拡散の活性化エネルギー障壁は何か？
• RQ2 ZIF-8キャビティ内におけるプロパンおよびプロピレンの回転動態はどのように異なるか？
• RQ3 ZIF-8におけるプロパン/プロピレン分離の観察された選択性の起源は何か？
• RQ4 2H NMRから導出された活性化エネルギーは、文献値とどのように比較できるか？
• RQ5 吸着体-フレームワーク相互作用の強さは、分子輸送および分離にどのような役割を果たすか？

主な発見

• ZIF-8におけるプロピレンの拡散の活性化エネルギーは13.5 kJ/molであり、プロパン（38 kJ/mol）よりも顕著に低い。これは、プロピレンの拡散が速いことを示している。
• ZIF-8キャビティ内でのプロピレンの回転の活性化エネルギーは8 kJ/molであり、プロパンの3.8 kJ/molよりも高い。これは、フレームワークとの相互作用が強いことを示している。
• 2H NMRから導出された拡散障壁は、Liuら（2018年）が報告した値と良好に一致しており、手法の正確性が裏付けられた。
• プロピレンの高い回転障壁は、より強い吸着およびZIF-8の孔壁との強化された相互作用を示唆している。
• 実験的観察されたZIF-8膜におけるプロピレン選択性は、フレームワーク相互作用の強化によって説明できる。
• 本研究は、特に回転自由度および相互作用強度が、分離性能の鍵要因であることを確認した。