مقالة منهجية

تصنيع أغشية إطار معدني-عضوي مختلطة المصفوفة موجهة للفصل الجزيئي

DOI:

10.3791/65454

⸱

فبراير 6, 2026

 , 
1Advanced Membrane and Porous Materials Platform, Division of Physical Science and Engineering (PSE), King Abdullah University of Science and Technology (KAUST), 2Functional Materials Design, Discovery and Development (FMD3), Advanced Membrane and Porous Materials Platform, Division of Physical Science and Engineering, KAUST

في هذه المقالة

ملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

هنا نصف بروتوكولا لتصنيع أغشية مصفوفة مختلطة (MMMs) من خلال دمج حشوات مصفاة جزيئية انتقائية للغاية (هنا، MOFs) في مصفوفة البوليمر القابلة للمعالجة بسهولة، مما يقدم نهجا واعدا لدمج أفضل خصائص كلتا المادتين وتصنيع أغشية هجينة متقدمة مع أداء ممتاز في فصل الغازات.

الملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

السعي نحو الفصلات الموفرة للطاقة هو في غاية الأهمية. يمكن أن يخفف الفصل القائم على الغشاء من العقوبات الطاقية المفرطة المرتبطة بالانفصال. توفر أغشية المصفوفة المختلطة (MMMs)، التي تجمع بين بوليمرات سهلة المعالجة وممتصات انتقائية عالية، إمكانات كبيرة لترجمة خصائص فصل الماصات المذهلة إلى المصفوفة القابلة للمعالجة. تصف هذه المخطوطة المنهجية التفصيلية لتصنيع أغشية الإطار المعدني-العضوي المختلط المصفوفة الموجهة (MMMOF) وتطبيقها اللاحق في مختلف فصلات الغازات ذات الأهمية الصناعية والتحدي الكبير. تم تصنيع غشاء MMMOF الموجه بناء على ثلاثة معايير أساسية ومتداخلة: (1) يحتوي حشو مصفاة جزيئية MOF على حجم وشكل مسام مثاليين، وظيفة، وتفاعل بين المضيف والضيف يسهل بشكل انتقائي انتشار جزيء الغاز المطلوب على غيره؛ (2) تحكم متقن في تخليق مورفولوجيا بلورات MOF في اتجاه بلوري محدد مسبقا إلى صفائح نانوية ذات نسبة عالية من الجوانب تضمن أقصى وصول للقنوات/المسام وتعزز توافق صفائح النانو مع واجهة البوليمر، مما يتيح تحميل صفائح النانو بشكل عالي؛ و(3) تجميع متحكم فيه (محاذاة مستوية) لصفائح MOF النانوية في مصفوفة البوليمر لترجمة خصائص التنقيل الجزيئية المميزة لصفائح MOF النانوية إلى المصفوفة القابلة للمعالجة كشكل من أغشية MMMOF. أظهر الغشاء انفصالا غير مسبوق بين كبريتيد الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون والغاز الطبيعي تحت ضغط ودرجات حرارة عالية. الطرق التي قدمناها هنا لديها إمكانات عالية لتطوير أغشية عالية الأداء لمعالجة الفترات الصناعية الرئيسية.

المقدمة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

الفصلات الكيميائية تستهلك طاقة عالية وتستهلك حوالي 50٪ من الطاقة الصناعية العالمية 1,2. عمليات الفصل المعتمدة على الغشاء فعالة جدا في استهلاك الطاقة مقارنة بالتقطير التقليدي بالتجميد و/أو الفصل الممتصاص. تعاني أغشية البوليمر النقي عادة من سلوك مقايضة (علاقة بين النفاذية والانتقائية) يعرف بالحد الأعلى لروبسون 3,4. تعتبر أغشية المصفوفة المختلطة (MMMs)، التي تجمع بين فوائد الماصات الانتقائية (تأثيرات النخل الجزيئي وخصائص انتشار الغاز المحسنة) والبوليمرات (سهولة معالجة المحلول)، عوامل فصل محتملة نحو تقنيات موفرة للطاقة ومستدامة بيئيا 5,6,7. ومع ذلك، لا تزال الترجمة الفعالة لخصائص الفصل المميزة للماصات إلى المصفوفة القابلة للمعالجة كنوع من أغشية المصفوفات المختلطة تحديا كبيرا بسبب التراكمات الشديدة والترسيب في الحشوات داخل مصفوفة البوليمر ومشكلة عدم التوافق بين الحشو وواجهة البوليمر. نتيجة لهذه التحديات، يتأثر تحقيق الأغشية الانتقائية للغاية كما تقل الخصائص الميكانيكية للغشاء.

لمعالجة مشكلة التوافق، فإن ماصة مسامية تتكون من القطع العضوية مناسبة لتعزيز الالتصاق مع مصفوفة البوليمر. الأطر المعدنية العضوية (MOFs)، وهي فئة قابلة للتعديل من المواد الهجينة الصلبة تتكون من عقد معدنية أو مجموعات معدنية منسقة مع روابط عضويةمتعددة الوظائف 9,10,11، من المتوقع أن تقدم توافقا أفضل مع مصفوفة البوليمر مقارنة بالزيوليتات غير العضوية النقية12. يجدر بالذكر أن MOFs حظيت باهتمام كبير كمواد ماصة ممتازة للفصل الانتقائيللغازات 13,14,15.

تم الإبلاغ عن عدة MMM باستخدام حشوات متساوية الخواص أو قريبة من متساوية الخواص (مثل الجسيمات النانوية). تشمل الحشوات المستخدمة بالإضافة إلى MOFs الزيوليتات، والسيليكا المتوسطة المسام، والأطر العضوية التساهمية (COFs)5,6,7. ومع ذلك، فقط عدد محدود من MMMs يظهر تحسنا متزامنا في الانتقائية والنفاذية 16,17,18.

من الواضح أن إدخال حشوات ذات أشكال غير متساوية مثل الصفائح النانوية ذات نسبة الجوانب العالية أمر ضروري لبناء MMMs عالية الأداء19. تساهم مساحة السطح الخارجية العالية نسبيا وطول انتشار المسام الدقيقة المنخفضة للصفائح النانوية على انتشار الغاز اتجاهيا مع تمييز جزيئي محفوظ، مما يوفر زيادة كبيرة في كل من النفاذية والانتقائية. ومن المهم أن المساحات الخارجية العالية للصفائح النانوية ستوفر تحسنا كبيرا لتوافق واجهة الصفائح النانوية مع البوليمر مقارنة بالجسيمات النانوية. يجدر بالذكر أن صفائح النانو Cu-BDC 21,22,23 وNH2-MIL-53(Al)24 MOF تم استخدامها كحشوات في MMMs، وبشكل غير معتاد أظهرت هذه الأغشية تحسنا معتدلا في الانتقائية على حساب النفاذية، مما يدل على الأهمية الحيوية لمحاذاة الصفائح النانوية بشكل صحيح داخل مصفوفة البوليمر. إلى جانب إنتاج صفائح نانوية ذات نسبة عالية من الجوانب العالية لوحدات MOF عالية الأداء، من الضروري تطوير منهجية مناسبة توفر المحاذاة الرئيسية داخل المستوى للصفائح النانوية داخل مصفوفة البوليمر. على وجه الخصوص، السعي وراء بروتوكول تركيبي جديد لتحويل هياكل MOF المختارة كصفائح نانوية أمر بالغ الأهمية، حيث أن العديد من هياكل MOF المسام المنكمش لها خصائص امتصاص وانتشار فريدة25,26، لكنها غير متوافقة مع طرق التقشير التقليدية27.

بالإضافة إلى شكل صفائح النانو في MOF والمحاذاة الصحيحة داخل المستوى لصفائح MOF النانوية داخل مصفوفة البوليمر، فإن الاختيار الحكيم لملء MOF وزوج البوليمرات يعد أيضا معاملة مهمة جدا لبناء MMM عالي الأداء. يجدر بالذكر أن هذين المكونين يمكن أن يكون لهما نفاذية جوهرية وانتقائية مختلفة جدا. لذلك، إذا تم تصنيع MMM باستخدام حشو MOF منخفض النفاذية نسبيا مع بوليمر عالي النفاذ، فإن MOF سيكون له تأثير ضئيل على فصل الغاز لأن جزيئات الغاز ستتغلغل على الانتشار أو النفاذية عبر طور البوليمر. على النقيض من ذلك، فإن MOF ذو نفاذية عالية، فإن MMM المصنع ذو البوليمر منخفض النفاذية جدا سيؤدي إلى فصل الغاز الذي تهيمن عليه البوليمر.

تصف هذه المخطوطة مفهوما وبناء لإطار مصفوفي مختلط من المعدن والعضوي (MMMOF) يعتمد على ثلاثة معايير أساسية: (1) AlFFIVE-1-Ni [NiAlF5(H2O)(pyr)2] كحشو منخل جزيئي متقدم ببنية مسام مناسبة يسهل نقل/انتشار الغازات المستهدفة (CO2 و H2S) مع إعاقة انتشار غازات أخرى (الفصل4 أو جزيء أكبر); (2) تخصيص شكل بلورات AlFFIVE-1-Ni MOF على اتجاه بلوري محدد لتعظيم تعرض نظام المسام/القناة (صفائح نانوية ذات نسبة عالية الوجه)؛ (3) محاذاة الصفائح النانوية داخل المستوى داخل مصفوفة البوليمر وترجمة خصائص الفصل الجزيئي/التنقيل المذهلة للصفائح النانوية المنفصلة إلى غشاء مستمر ماكروسكوبي28.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. تحضير صفيحة النانو الموجهة (001) AlFFIVE-1-Ni MOF (الشكل 1)

ملاحظة: يمكن تصنيع صفيحة النانو الموجهة ل (001) من خلال دمج محلولين مختلفين يحتويان على السلف (1) محلول معدني ورابط (2) محلول يحتوي على أعمدة تحت تفاعل المحلول الحراريالمحلول 28.

  1. تحضير محلول معدني وربط عن طريق إذابة 1.80 جرام من البيرازين (22.03 ممول) و2.20 جرام من رباعي هيدرات أسيتات النيكل (8.84 ملليمول) في 9 مل من خليط 2:1 (v/v) الإيثانول-H2O عن طريق الصوتية لمدة 3 دقائق.
  2. تحضير محلول عمودي [AlF5(H2O)]2- عن طريق إذابة 0.32 جرام من هيدروكسيد الألمنيوم (4.10 ميليمول) في 4 مل من خليط 3:1 (فولت/فولت) HF-H2O عن طريق الصوتية لمدة دقيقتين في درجة حرارة الغرفة (RT؛ 25 °م).
  3. ادمج المعدن والليغاند والأعمدة التي تحتوي على المحاليل وقم بعمل صوت الخليط لمدة 3 دقائق.
    ملاحظة: تردد الصوت للخطوات 1.1-1.3 هو 20 كيلوهرتز.
  4. قم بإجراء تفاعل حراري حل عند 50 درجة مئوية لمدة 3 أيام تحت حالة ثابتة.
    ملاحظة: يمكن إجراء التفاعل الحراري السلوبي في أنبوب مخروطي بسعة 50 مل في فرن مسخن مسبقا.
  5. اجمع ورقة النانو MOF من AlFFIVE-1-Ni بقوة طرد مركزي 1789 × g لمدة 5 دقائق.
  6. اغسل ورقة النانو MOF بسعة 300 مل من الماء، ثم اغسلها ب 60 مل من الإيثانول.
  7. تحضير محلول النانوية AlFFIVE-1-Ni عن طريق تشتيت الصفيحة النانوية بالكمية المطلوبة من الكلوروفورم وضبط تركيز الصفيحة النانوية إلى حوالي 100 ملغ من محلول MOF/mL.
    ملاحظة: لمنع التراكم، لا تجف الورقة النانوية قبل تحضير الغشاء.
  8. تحضير جسيمات AlFFIVE-1-Ni باستخدام 8.85 ملم مول من محلول العمود [AlF5(H2O)]2 بدلا من 4.10 ملم مول [AlF5(H2O)]2- محلول عمودي28.

2. تصنيع غشاء الإطار المعدني-العضوي المختلط الموجه [001]

  1. استخدم الكلوروفورم كوسيط مشتت لمحاذاة الصفائح النانوية داخل المستوى داخل مصفوفة البوليمر (الشكل 2).
    ملاحظة: تلعب الوسائط المشتتة دورا حاسما في تصنيع غشاء مختلط خال من العيوب.
  2. تنفيذ طريقة صب المحلول لتصنيع أغشية MMMOF موجهة [001] بسماكات مختلفة.
  3. تحضير محلول بوليمر عن طريق إذابة 150 ملغ من البولي إيميدات المجففة (6FDA-DAM) في 2 مل من الكلوروفورم عن طريق الرج على هز ميكانيكي لمدة 3 ساعات عند RT.
  4. خذ الكمية المطلوبة من العليكوت من محلول النانوشيوت AlFFIVE-1-Ni (الخطوة 1.7). (مثلا، 1.02 مل لوزن 40، و1.50 مل لوزن 50٪، و2.25 مل لأغشية وزن 60 وزينة MMM) في قارورة زجاجية بحجم 25 مل وإضافة كمية مطلوبة من الكلوروفورم ليصبح الحجم الإجمالي 2.5 مل.
  5. أضف محلول البوليمر باتجاه السقوط إلى نظام تعليق MOF وحرك الخليط بسرعة 150 دورة في الدقيقة لمدة لا تقل عن 150 دقيقة عند 35 درجة مئوية.
    ملاحظة: هذا الخليط من MOF والبوليمر يسمى محلول المدخن.
  6. صب محلول الدوب في طبق بتري زجاجي أو طبق بولي تترا فلورو إيثيلين (PTFE) على سطح مستوي.
    ملاحظة: يجب وضع طبق بتيري الزجاجي أو طبق PTFE في كيس قفازات مشبع مسبقا ببخار الكلوروفورم لمدة لا تقل عن 10 دقائق.
  7. احتفظ بالطبق الذي يحتوي على محلول الدويب في حقيبة القفازات طوال الليل عند حرارة RT (25 درجة مئوية).
  8. السماح بتبخر بطيء لمذيب الكلوروفورم لتجميع صفائح MOF النانوية ذاتيا داخل مصفوفة البوليمر (الشكل 3).
    ملاحظة: يتم محاذاة صفائح النانو في MOF على المستوى من خلال التبخر البطيء للمذيب أثناء تحضير الغشاء28.
  9. قم بنزع الغشاء القائم بذاته [001] من طبق بتري باستخدام ملعقة (الشكل 4).
  10. جفف الغشاء في فرن تفريغ بدرجة حرارة 200 درجة مئوية لمدة 20 ساعة لإزالة أي بقايا من الكلوروفورم.
  11. تصنيع جسيمات AlFFIVE-1-Ni النانوية التي تحتوي على غشاء مصفوفة مختلطة باستخدام نفس الإجراء (الخطوات 2.1-2.10) ولكن استخدم جسيمات AlFFIVE-1-Ni النانوية بدلا من صفائح النانو AlFFIVE-1-Ni.

3. توصيف أغشية MMMOF الموجهة [001]

  1. احصل على صورة المقطع العرضي لمجهر الإلكترونات الماسحة (SEM) للغشاء لتأكيد أن صفائح النانو (001) محاذية بشكل منتظم في المستوى (الشكل 5A).
    ملاحظة: قبل قياس صورة SEM، يجب أن يكون الغشاء متكسرا بالتبريد في النيتروجين السائل للحفاظ على هياكله المجهرية. تم الحصول على صور SEM باستخدام ماجلان 400-FEG يعمل بجهد تسارع 1.5 كيلو فولت وتيار انبعاث 13 بيزوأمبير.
  2. تقييم حيود الأشعة السينية (XRD) للغشاء لتحديد الاتجاه البلوري لصفائح النانو (001) في مصفوفة البوليمر (الشكل 5B).
    ملاحظة: من المفترض أن يظهر الغشاء الموجه [001] فقط حيود براج رئيسي من مستويين بلوريين ([002]، [004]) لبنية AlFFIVE-1-Ni. تم جمع بيانات XRD باستخدام مقياس حيود (Cu Kα = 1.54056 Å) في هندسة براج-برينتانو θ-θ مع الإعدادات التالية: القدرة التشغيلية: 40 كيلوفولت/40 مللي أمبير؛ شق التفرق التلقائي (الطول المشع = 0.6 مم)، حامل العينة: حامل عينات لوحة مسطحة؛ درجة الحرارة: RT; الطريقة: طريقة العد المستمر (3° على الأقل 1); النطاق 2: 4°-40°.
  3. إجراء تحليلات صور بشعاع الأيونات المركزة SEM (FIB-SEM) للغشاء الموجه للتحقق من الطبيعة الدقيقة لصفائح النانو والبنية المجهرية الداخلية للغشاء على مساحة واسعة (الشكل 6).
    ملاحظة: FIB-SEM هي تقنية توصيف ممتازة لتحديد توافق واجهة MOF-البوليمر.
    1. إنشاء خندق بعرض حوالي 35 ميكرومتر على السطح العلوي لغشية MMMOF، وغط المنطقة المتبقية بالبلاتين الموزع (الشكل 6A).
      1. غطي الغشاء ب "ب "نانومتر من الإيريديوم". قبل الطحن، وضع طبقة واقية من Pt (بسماكة 0.3-0.4 ميكرومتر) على المناطق المهتمة بالعينة.
      2. ثم استخدم شعاع الأيونات الجاليوم (Ga+) FIB الذي يعمل بقوة 5 كيلوفولت و75-100 pA لإنشاء خندق على السطح العلوي للغشاء.
    2. قم بتقطيع وطحن الغشاء بسماكة لا تقل عن 50 نانومتر بواسطة FIB، ويعمل عند حوالي 5 كيلوفولت و25 بيزوأمبير (الشكل 6B).
    3. اجمع بين 100 و300 ميكروجرام مجهر SEM فردي للمقاطع العرضية المتتالية التي خضعت للطحن بنطاق تكبير بين 12,000x-45,000x، مع كاشف إلكترونات ثانوي عند ~1 كيلو فولت (الشكل 6C).
    4. محاذاة تكديس الصور مع ميزة خارجية على سطح الغشاء باستخدام خوارزمية الارتباط المتبادل.
  4. تحليل التغيرات النسبية في اللزوجة لتعليق البوليمر من الصفائح النانوية (محلول الدوب) بالنسبة لوقت التحريك (الشكل 7).
    ملاحظة: التوصيف الريولوجي بسيط إلى حد ما لكنه فعال في توضيح التفاعل المعزز بين صفائح النانو والبوليمرات في MOF.
  5. اجمع منحنيات الإجهاد-الانفعال للأغشية عند أحمال MOF مختلفة وحساب معامل يونغ وانفعال الإطالة من منحنيات الإجهاد-الانفعال.
    ملاحظة: يمكن تقييم الخصائص الميكانيكية للغشاء باستخدام تحليل الإجهاد-الانفعال.
  6. تقييم تحميل صفائح النانو في الغشاء الموجه باستخدام طريقة التحليل الحراري الجاذبي.
    1. أولا، فعل حوالي 10 ملغ من مسحوق الصفائح النانوية تحت التنظيفN2 على حرارة 200 درجة مئوية لمدة 135 دقيقة لضمان التفعيل.
    2. ارفع درجة الحرارة حتى 800 درجة مئوية بمعدل تسخين 10 درجة مئوية·دقيقة و1 تحت تدفق الدرجة المئويةوحافظ على درجة الحرارة عند 800 درجة مئوية لمدة ساعتين. قارن كتلة أكسيد المعادن المتبقية بالكتلة المنشطة الأولية ل MOF28.
    3. استخدم نفس البروتوكول (الخطوات 3.6.1 و3.6.2) لأغشية تحتوي على صفائح النانو MOF لتحديد تحميل MOF.
      ملاحظة: من كتلة أكسيد المعادن المتبقية بعد التسخين عند 800 درجة مئوية لمدة ساعتين تحت بيئةO 2 ، يمكن تحديد محتوى صفائح MOF النانوية في الغشاء.

4. تقييم خصائص فصل الغاز الفردي والمختلط للأغشية الموجهة

  1. قيم قياسات نفاذ الغاز النقي أو الواحد باستخدام طريقة محلية الصنع ذات ضغط متغير وحجم ثابت28.
    ملاحظة: حالة نفاذ الغاز الواحد عادة عند 35 درجة مئوية وضغط تغذية 2 بار لكل من هيلوكريوم،H2،CO2،O2،N2، CH4، C2H4، C2H6، C 3H6، وC3H8. تم استخدام جهاز فصل غاز منزلي الصنع. راجع عملناالمنشور سابقا رقم 28 لتفاصيل الإعداد.
    1. اقطع الغشاء باستخدام ثقب ميكانيكي إلى شكل دائرة/عملة بحجم حوالي 2 سم2 .
    2. قم بتركيب الغشاء على خلية النفاذ، وغطه بشريط لاصق من الألمنيوم، ثم أغلقها براتنجات الإيبوكسي.
      ملاحظة: يجب إجراء ختم الغشاء باستخدام راتنج الإيبوكسي بعناية لتجنب أي ثقوب صغيرة غير مرغوبة.
    3. حافظ على منطقة محددة من الغشاء مكشوفة لنفاذ الغاز.
    4. قس المساحة المتاحة للغشاء لاختراق الغاز باستخدام جهاز مسح ضوئي، وقياس سمك الغشاء باستخدام مقياس العمق.
    5. قم بإخلاء نظام النفاذية عند 35 درجة مئوية لمدة 12 ساعة قبل إجراء أي اختبار نفاذ.
      ملاحظة: تساعد هذه الخطوة في إزالة أي رطوبة ممتصة أثناء إغلاق الغشاء.
    6. قم بتغذية الغاز عند ضغط 2 بار (الضغط العلوي) وانتظر 20 دقيقة لتوازن درجة حرارة نظام النفاذ.
    7. احسب نفاذية الغاز الواحد باستخدام ميل الضغط السفلي مقابل الزمن (dp/dt) عند الحالة المستقرة بالمعادلة التالية:
      figure-protocol-1 figure-protocol-2(1)
      ملاحظة: تشير P إلى نفاذية الغشاء الغازي في بارير (1 بارير = 10-10 سم3(STP)·سم-2·ثانية-1·سم زئبق-1)، V هو حجم الحجرة السفلية (سم3)، l هو سمك الغشاء (سم)، p0 هو الضغط العلوي (سم زئبق)، A يشير إلى المساحة الفعالة للغشاء (سم2)، R هو ثابت الغاز (0.278 سم3 سم زئبق سم-3(STP) K-1)، T هو درجة حرارة التشغيل (K).
    8. نحصل على الانتقائية المثالية (SA/B) للغاز A إلى الغاز B باستخدام المعادلة التالية:
      figure-protocol-3(2)
      ملاحظة: PA و PB تشير إلى نفاذية الغازين A و B على التوالي.
  2. تقييم قياسات نفاذية الغاز المختلط.
    1. استخدم خليط الغاز الثنائي (CO2/CH4:10/90؛ 20/80 و50/50) و/أو خليط الغاز الثلاثي (H2S/CO2/CH4:1/9/90؛ 18/2/80 و5/5/90) لاختبارات فصل الغازات المختلطة.
    2. استخدم معدات نفاذية غاز معدلة لقياس نفاذية الغاز المختلط، والتي يجب دمجها مع كروماتوغرافيا الغاز الدقيق (Agilent 490 Micro-GC)28.
      ملاحظة: يمكن تغيير ضغط تغذية الغاز المختلط من 2-30 بار ودرجة حرارة 25-100 درجة مئوية.
    3. حافظ على نسبة التدفق بين النفط إلى التغذية، أقل من 1٪.
      ملاحظة: يمكن تجاوز استقطاب تركيز الغاز على الجانب العلوي من الغشاء بهذه الطريقة، كما أنه سيحافظ على القوة الدافعة المستمرة عبر الغشاء أثناء دراسة نفاذ الغاز.
    4. دع خليط الغاز يتغلغل عبر الغشاء حتى يصل معدل نفاذ مستقر، عادة ما يكون أكثر من 5 فترات تأخير.
    5. قم بإفراغ الخليط المنفذ ثم جمع خليط الغاز تحت ظروف الحالة المستقرة.
    6. تخفيف الغاز المنفذ بغاز هيليوم وتحليل خليط الغاز باستخدام ميكرو-GC.
    7. احسب نفاذية الغاز المختلط للمكون i (Pi) باستخدام المعادلة التالية.
      figure-protocol-4(3)
      ملاحظة: y و x هما كسور المولي في النفاذية والتغذية على التوالي، وp0 هو ضغط التغذية للمكون i.
    8. تحليل انتقائية الغاز المختلط (Si/j) باستخدام نسبة نفاذية مكونين، i و j.
      figure-protocol-5(4)

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تمتلك حشوات الصفائح النانوية الموجهة (الشكل 1) جوهريا عدة مزايا في MMMs مقارنة بالجسيمات النانوية. تساهم مساحة السطح الخارجية الكبيرة نسبيا ومسافة انتشار المسام الدقيقة المنخفضة للصفائح النانوية على انتشار الغاز بشكل اتجاهي مع تمييز جزيئي محفوظ (الشكل 2). توفر مساحة السطح الخارجية الكبيرة نسبيا للصفائح النانوية مقارنة بجسيمات النانو تعزيز أكبر في توافق واجهة الصفائح النانوية والبوليمر، مما يتيح تحميل صفائح النانو/الحشوات بشكل كب...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تخليق صفائح النانو MOF الموجهة ذات نسبة الجوانب العالية يعد تحديا ملحوظا. على عكس التطبيقات الأخرى، يجب تصنيع صفائح النانو MOF الخاصة بفصل الغاز بدون مادة خافضة أو قالب لتجنب أي مادة غير مرغوبة على سطح صفائح النانو الخاصة ب MOR. بالإضافة إلى ذلك، يجب توجيه القناة/مسام الصفائح النانوية خارج اتجاه المستوى لتعزيز انتشار الغاز بشكل اتجاهي. كل هيكل MOF له آلية نمو بلورات مختلفة، لذلك لا يمكن تطبيق نفس إجراء التخليق على جميع تخليقات صفائح MOF النانوية. بالنسبة لنموذج MOF معين، يجب تطوير/تحسين ...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

المؤلفون ليس لديهم ما يكشفون عنه.

شكر وتقدير

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

وقد دعمت هذه الأبحاث جامعة الملك عبد الله للعلوم والتكنولوجيا (KAUST). تعترف S.J.D. وM.E. بدعم KAUST.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
هيدروكسيد الألمنيوم (III) هيدرات  ألدرتش1330-44-5
بروكر D8 أدفانسبروكرNAمقياس الحيود بالأشعة السينية  
لزقة CAP-2000+أميتيك بروكفيلدNAالتوصيف الريولوجي
الكلوروفورم (99.8٪)سيغما-ألدرتش67-66-3
CO2/CH4 : 50/50، 20/80، 10/90 و H2S/CO2/CH4 = 1/9/90، 18/2/80، 5/5/90 سائل الهواء وAHGNA
ثنائي كلوروميثان (99.9٪)سيغما-ألدرتش75-09-2
الإيثانول (99.7٪)VWR64-17-5
H2 (99.999٪)، N2 (99.999٪)، CO2 (99.999٪)، CH4 (99.999٪)، C3H6 (99.5٪)، C3H8 (99.5٪) سائل الهواء وAHGNA
مجهر هيليوس G4 UX DualBeamثيرموفيشرNAFIB-SEM 
أجهزة فصل الغاز المنزليةNANAانظر المرجع 28 لمزيد من التفاصيل حول الإعداد
حمض الهيدروفلوريك (48٪ وزن في الماء)سيغما-ألدرتش7664-39-3
ماجلان 400-FEGثيرموفيشرNAصور SEM  
رباعي هيدرات أسيتات النيكل (II) (99٪)العضوية6018-89-9
بولي إيميد 6FDA-DAM (ميغاوات = 330 كيلو دالتون، مؤشر PDI: 2.48)شركة أكرون بوليمر سيستمز، إنك.NA
بيرازين (99٪)ألدرتش290-37-9
محلل TA Q-5000شركة تي إيه إنسترومنتسNATGA 
رباعي الهيدروفوران (99٪)سيغما-ألدرتش109-99-9

المراجع

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. U.S. Department of Energy (DOE). Materials for Separation Technology: Energy and Emission Reduction Opportunities. U.S. Department of Energy (DOE). , (2005).
  2. Sholl, D. S., Lively, R. P. Seven chemical separations to change the world. Nature. 532 (7600), 435-437 (2016).
  3. Robeson, L. M. The upper bound revisited. Journal of Membrane Science. 320 (1-2), 390-400 (2008).
  4. Gin, D. L., Noble, R. D. Designing the next generation of chemical separation membranes. Science. 332 (6030), 674-676 (2011).
  5. Koros, W. J., Zhang, C. Materials for next-generation molecularly selective synthetic membranes. Nature. Materials. 16, 289-297 (2017).
  6. Dechnik, J., Gascon, J., Doonan, C. J., Janiak, C., Sumby, C. J. Mixed-matrix membranes. Angewandte Chemie International Edition. 56 (32), 9292-9310 (2017).
  7. Chuah, C. Y., et al. Harnessing filler materials for enhancing biogas separation membranes. Chemical Reviews. 118 (18), 8655-8769 (2018).
  8. Dong, G., Lia, H., Chen, V. Challenges and opportunities for mixed-matrix membranes for gas separation. Journal of Materials Chemistry A. 1, 4610-4630 (2013).
  9. Kitagawa, S., Kitaura, R., Noro, S. Functional porous coordination polymers. Angewandte Chemie International Edition. 43 (18), 2334-2375 (2004).
  10. Eddaoudi, M., et al. Modular chemistry: secondary building units as a basis for the design of highly porous and robust metal organic carboxylate frameworks. Accounts of Chemical Research. 34 (4), 319-330 (2001).
  11. Tranchemontagne, D. J., Mendoza-Cortés, J. L., O'Keeffe, M., Yaghi, O. M. Secondary building units, nets and bonding in the chemistry of metal-organic frameworks. Chemical Society Reviews. 38, 1257-1283 (2009).
  12. Gong, H., Lee, S. S., Bae, T. -H. Mixed-matrix membranes containing inorganically surface-modified 5A zeolite for enhanced CO2/CH4 separation. Microporous and Mesoporous Materials. 237, 82-89 (2017).
  13. Lin, R. -B., et al. Molecular sieving of ethylene from ethane using a rigid metal-organic framework. Nature. Materials. 17, 1128-1133 (2018).
  14. Li, L., et al. Ethane/ethylene separation in a metal-organic framework with iron-peroxo sites. Science. 362 (6413), 443-446 (2018).
  15. Chen, Z., et al. Balancing volumetric and gravimetric uptake in highly porous materials for clean energy. Science. 368 (6488), 297-303 (2020).
  16. Bachman, J. E., Smith, Z. P., Li, T., Xu, T., Long, J. R. Enhanced ethylene separation and plasticization resistance in polymer membranes incorporating metal-organic framework nanocrystals. Nature. Materials. 15, 845-849 (2016).
  17. Liu, G., et al. Mixed matrix formulations with MOF molecular sieving for key energy-intensive separations. Nature Materials. 17, 283-289 (2018).
  18. Knebel, A., et al. Solution processable metal-organic frameworks for mixed matrix membranes using porous liquids. Nature Materials. 19, 1346-1353 (2020).
  19. Park, H. B., Kamcev, J., Robeson, L. M., Elimelech, M., Freeman, B. D. Maximizing the right stuff: The trade-off between membrane permeability and selectivity. Science. 356 (6343), (2017).
  20. Peng, Y., et al. Metal-organic framework nanosheets as building blocks for molecular sieving membranes. Science. 346 (6215), 1356-1359 (2014).
  21. Rodenas, T., et al. Metal-organic framework nanosheets in polymer composite materials for gas separation. Nature Materials. 14, 48-55 (2015).
  22. Yang, Y., Goh, K., Wang, R., Bae, T. -H. High-performance nanocomposite membranes realized by efficient molecular sieving with CuBDC nanosheets. Chemical Communications. 53, 4254-4257 (2017).
  23. Shete, M., et al. On the direct synthesis of Cu(BDC) MOF nanosheets and their performance in mixed matrix membranes. Journal of Membrane Science. 549, 312-320 (2018).
  24. Pustovarenko, A., et al. Nanosheets of nonlayered aluminum metal-organic frameworks through a surfactant-assisted method. Advanced Materials. 30 (26), 1707234(2018).
  25. Cadiau, A., et al. Hydrolytically stable fluorinated metal-organic frameworks for energy-efficient dehydration. Science. 356 (6339), 731-735 (2017).
  26. Belmabkhout, Y., et al. Natural gas upgrading using a fluorinated MOF with tuned H2S and CO2 adsorption selectivity. Nature Energy. 3, 1059-1066 (2018).
  27. Li, Y. -Z., Fu, Z. -H., Xu, G. Metal-organic framework nanosheets: Preparation and applications. Coordination Chemistry Reviews. 388, 79-106 (2019).
  28. Datta, S. J., et al. Rational design of mixed-matrix metal-organic framework membranes for molecular separations. Science. 376 (6597), 1080-1087 (2022).
  29. Liu, G., et al. Zeolite-like MOF nanocrystals incorporated 6FDA-polyimide mixed-matrix membranes for CO2/CH4 separation. Journal of Membrane Science. 565, 186-193 (2018).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

مقالات ذات صلة