Methodenartikel

Herstellung von orientierten Metall-Organ-Rahmenmembranen mit gemischter Matrix zur molekularen Trennung

DOI:

10.3791/65454

⸱

6. Februar 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

In diesem Artikel

Zusammenfassung

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

Hier beschreiben wir ein Protokoll zur Herstellung von gemischten Matrixmembranen (MMMs), indem hochselektive molekulare Siebfüllstoffe (hier MOFs) in die leicht verarbeitbare Polymermatrix integriert werden, was einen vielversprechenden Ansatz bietet, um die besten Eigenschaften beider Materialien zu kombinieren und fortschrittliche Hybridmembranen mit hervorragender Gastrennungsleistung herzustellen.

Zusammenfassung

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

Das Streben nach energieeffizienten Trennungen ist von größter Bedeutung. Membranbasierte Trennung kann übermäßige Energieverluste lindern, die mit Trennungen verbunden sind. Gemischte Matrixmembranen (MMMs), die leicht verarbeitbare Polymere und hochselektive Adsorbenstoffe kombinieren, bieten großes Potenzial, bemerkenswerte Adsorbent-Trenneigenschaften in die verarbeitbare Matrix zu übertragen. Dieses Manuskript beschreibt die detaillierte Methodik für die Herstellung von Membranen mit orientierter Mischmatrix metall-organischer Rahmenstruktur (MMMOF) und deren anschließender Anwendung in verschiedenen industriell wichtigen und äußerst anspruchsvollen Gasmischungstrennungen. Die orientierte MMMOF-Membran wurde auf Grundlage von drei wesentlichen und miteinander verbundenen Kriterien hergestellt: (i) Ein MOF-Molekular-Siebfüller besitzt optimale Porengröße und -form, Funktionalität sowie Wirt-Gast-Interaktion, die selektiv die Diffusion des gewünschten Gasmoleküls über andere ermöglichten; (ii) eine gemeisterte Synthesekontrolle der MOF-Kristallmorphologie in einer vordefinierten kristallographischen Richtung in Nanoblätter mit hohem Aspektverhältnis, die maximale Zugänglichkeit von Kanälen/Poren gewährleisten und die Nanoblatt-Polymer-Schnittstellenkompatibilität verbessern, was eine hohe Nanoblattbelastung ermöglicht; und (iii) eine denkbare kontrollierte Assemblierung (In-Plane-Ausrichtung) von MOF-Nanoblättern in der Polymermatrix, um die unterschiedlichen molekularen Siebeigenschaften von MOF-Nanoblättern in die prozessierbare Matrix als Form einer MMMOF-Membran zu übersetzen. Die Membran zeigte eine unvergleichliche Trennung von Schwefelwasserstoff und Kohlendioxid aus Erdgas bei hohem Druck und hoher Temperatur. Die hier vorgestellten Methoden haben ein hohes Potenzial für die Entwicklung verschiedener leistungsstarker Membranen, um wichtige industrielle Trennungen zu bewältigen.

Einleitung

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

Chemische Trennungen sind sehr energieintensiv und verbrauchen etwa 50 % der weltweiten Industrieenergie 1,2. Membranbasierte Trennverfahren sind im Vergleich zur herkömmlichen kryogenen Destillation und/oder adsorptiven Trennung hoch energieeffizient. Reine Polymermembranen leiden häufig unter einem Kompromissverhalten (einer Beziehung zwischen Permeabilität und Selektivität), das als Robesons obere Schranke 3,4 bekannt ist. Mischmatrixmembranen (MMMs), die die Vorteile selektiver Adsorbentiere (molekulare Siebwirkung und verbesserte Gasdiffusionseigenschaften) und Polymere (einfache Lösungsverarbeitbarkeit) kombinieren, gelten als Prospekttrenner für energieeffiziente und umweltverträgliche Technologien 5,6,7. Dennoch bleibt die effektive Übertragung der adsorbenden Trenneigenschaften in die prozessierbare Matrix als Form von Mischmatrixmembranen eine erhebliche Herausforderung, da die starke Agglomeration und Sedimentation von Füllstoffen innerhalb der Polymermatrix sowie das auftretende Inkompatibilitätsproblem zwischen Füllstoff und Polymergrenzfläche auftreten. Infolge dieser Herausforderungen wird das Erreichen hochselektiver Membranen behindert und die mechanischen Eigenschaften der Membran verringern8.

Um das Kompatibilitätsproblem zu lösen, eignet sich ein poröser Adsorbent aus organischen Teilen, um die Haftung an die Polymermatrix zu fördern. Metall-organische Rahmenwerke (MOFs), eine abstimmbare Klasse hybrider Festkörpermaterialien, die aus Metallknoten oder Metallclustern bestehen, die auf multifunktionale organische Linker koordiniert sind, werden voraussichtlich eine bessere Kompatibilität mit der Polymermatrix bieten im Vergleich zu reinen anorganischen Zeolithen12. Es ist zu beachten, dass MOFs als ausgezeichnete Adsorbentiere für selektive Gastrennung beträchtliche Aufmerksamkeit erhalten haben 13,14,15.

Verschiedene MMMs wurden mit isotropen oder nahezu isotropen Füllstoffen (z. B. Nanopartikeln) berichtet. Die zusätzlich zu MOFs verwendeten Füllstoffe umfassen Zeolithe, mesoporöses Siliziumdioxid und kovalent-organische Rahmen (COFs)5,6,7. Dennoch zeigen nur begrenzte MMMs eine gleichzeitige Verbesserung in Selektivität und Permeabilität 16,17,18.

Offensichtlich ist die Einführung von Füllstoffen mit nicht-isotropen Morphologien wie Nanosheets mit hohem Aspektverhältnis für die Konstruktion von Hochleistungs-MMMs19 unerlässlich. Die relativ hohe äußere Oberfläche und die verkürzte Mikroporendiffusionslänge der Nanoblätter fördern die Gasdiffusion in Richtung mit erhaltener molekularer Diskriminierung, was sowohl eine erhebliche Steigerung der Permeabilität als auch der Selektivität20 ermöglicht. Wichtig ist, dass die hohen äußeren Oberflächen von Nanoblättern eine erhebliche Verbesserung der Kompatibilität der Nanoblatt-Polymer-Schnittstelle im Vergleich zu Nanopartikeln darstellen. Es ist zu beachten, dass Cu-BDC 21,22,23 und NH 2-MIL-53(Al)24 MOF-Nanosheets als Füllstoffe in MMMs verwendet wurden; untypischerweise zeigten diese Membranen eine moderate Selektivitätsverbesserung auf Kosten der Permeabilität, was die entscheidende Bedeutung einer korrekten Ausrichtung der Nanoblätter innerhalb der Polymermatrix aufzeigt. Neben der Herstellung von Nanosheets mit hohem Aspektverhältnis bei leistungsstarken MOFs ist es unerlässlich, eine geeignete Methodik zu entwickeln, die die entscheidende In-Plane-Ausrichtung von Nanoblättern innerhalb der Polymermatrix bieten kann. Insbesondere ist die Suche nach einem neuen synthetischen Protokoll zur Darstellung ausgewählter MOF-Strukturen als Nanosheets von größter Bedeutung, da viele kontrahierte Poren-MOF-Strukturen einzigartige Adsorptions- und Diffusionseigenschaftenaufweisen 25,26, aber nicht mit den konventionellen Exfoliationsmethoden kompatibel sind27.

Neben der Nanoblattmorphologie des MOF und der korrekten In-Plane-Ausrichtung von MOF-Nanoblättern innerhalb der Polymermatrix ist die sorgfältige Auswahl von MOF-Füllstoff und Polymerpaar auch ein äußerst wichtiger Parameter für den Aufbau eines leistungsstarken MMM. Es sollte beachtet werden, dass diese beiden Bestandteile sehr unterschiedliche intrinsische Permeabilität und Selektivität aufweisen können. Wenn daher ein MMM mit einem relativ niedrigdurchlässigen MOF-Füllstoff mit einem hochdurchlässigen Polymer hergestellt wird, hat das MOF nur minimale Auswirkungen auf die Gastrennung, da Gasmoleküle eher durch die Polymerphase diffundieren/permeatieren. Im Gegensatz dazu führt ein MOF mit hoher Durchlässigkeit jedoch das gefertigte MMM mit sehr niedrig durchlässigem Polymer zur polymerdominierten Gastrennung.

Dieses Manuskript beschreibt ein Konzept und den Aufbau einer orientierten Mischmatrix-Metall-Organ-Rahmenmembran (MMMOF), die auf drei wesentlichen Kriterien basiert: (i) AlFFIVE-1-Ni [NiAlF5(H2O)(pyr)2] als fortschrittlicher molekularer Siebfüller mit einer geeigneten Porenstruktur, der den Transport/Diffusion der Zielgase (CO2 und H2S) erleichtert und gleichzeitig die Diffusion anderer Gase behindert (CH4 oder größeres Molekül); (ii) Anpassung der AlFFIVE-1-Ni MOF-Kristallmorphologie entlang einer definierten kristallographischen Richtung, um die Belichtung des Poren-/Kanalsystems zu maximieren (Nanosheets mit hohem Aspektverhältnis); (iii) In-Plane-Ausrichtung von Nanoblättern innerhalb der Polymermatrix und Übersetzung der bemerkenswerten molekularen Trennungs-/Siebeigenschaften diskreter Nanoblätter in eine makroskopische kontinuierliche Membran28.

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Protokoll

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

1. Vorbereitung des (001)-orientierten AlFFIVE-1-Ni MOF-Nanosheets (Abbildung 1)

HINWEIS: (001) orientiertes AlFFIVE-1-Ni-Nanoblatt kann durch die Kombination zweier verschiedener vorläuferhaltiger Lösungen (i) Metall- und Ligandlösung und (ii) säulenhaltiger Lösung unter solvothermaler Reaktion28 synthetisiert werden.

  1. Bereiten Sie Metall-Liganden-Lösung vor, indem Sie 1,80 g Pyrazin (22,03 mmol) und 2,20 g Nickelacetattetrahydrat (8,84 mmol) in 9 mL 2:1 (v/v) Ethanol-H2O durch Sonikation für 3 Minuten auflösen.
  2. Bereite [AlF5(H2O)]2-Säulenlösung vor, indem 0,32 g Aluminiumhydroxid (4,10 mmol) in 4 mL 3:1 (v/v) Gemisch HF-H2O durch Sonikation für 2 Minuten bei Raumtemperatur (RT; 25 °C) gelöst wird.
  3. Kombinieren Sie Metall, Liganden und Säulen mit Lösungen und sonisieren Sie die Mischung für 3 Minuten.
    HINWEIS: Die Schallfrequenz für die Schritte 1.1–1.3 beträgt 20 kHz.
  4. Solvotherme Reaktion bei 50 °C führen Sie 3 Tage lang unter statischen Bedingungen durch.
    HINWEIS: Solvotherme Reaktion kann in einem 50-mL konischen Rohr in einem vorgeheizten Ofen durchgeführt werden.
  5. Sammeln Sie AlFFIVE-1-Ni MOF-Nanosheet mit einer Zentrifugalkraft von 1789 x g für 5 Minuten.
  6. Waschen Sie das MOF-Nanosheet mit 300 ml Wasser und mit 60 ml Ethanol.
  7. Bereite die AlFFIVE-1-Ni-Nanoblatt-Lagerlösung vor, indem das Nanoblatt in der erforderlichen Menge Chloroform verteilt und die Nanoblattkonzentration auf etwa 100 mg MOF/mL-Lösung angepasst wird.
    HINWEIS: Um Agglomeration zu verhindern, wird das Nanoblatt vor der Membranpräparation nicht getrocknet.
  8. Bereiten Sie AlFFIVE-1-Ni-Nanopartikel vor, indem Sie 8,85 mmol [AlF5(H2O)]2-Säulenlösung anstelle von 4,10 mmol [AlF5(H2O)]2-Säulenlösung 28 verwenden.

2. Herstellung einer [001]-orientierten Mixed-Matrix metall-organischen Rahmenmembran (MMMOF)-Membran

  1. Verwenden Sie Chloroform als Dispergiermittelmedium für die ebene Ausrichtung von Nanoblättern innerhalb der Polymermatrix (Abbildung 2).
    HINWEIS: Dispersionsmittel spielen eine entscheidende Rolle bei der Herstellung einer fehlerfreien Mischmatrixmembran.
  2. Durchführung der Lösungsgussmethode zur Herstellung von [001]-orientierten MMMOF-Membranen mit unterschiedlichen Dicken.
  3. Polymerlösung wird hergestellt, indem man 150 mg getrocknete Polyimide (6FDA-DAM) in 2 ml Chloroform auflöst, indem man 3 Stunden bei RT auf einem mechanischen Shaker schüttelt.
  4. Nehmen Sie die erforderliche Menge an Aliquot aus der AlFFIVE-1-Ni-Nanosheets-Lagerlösung (Schritt 1.7). (z. B. 1,02 mL für 40 Wt%, 1,50 mL für 50 % und 2,25 mL für 60 Wt% MMMOF-Membranen) in ein 25-mL-Glasfläschchen und eine erforderliche Menge Chloroform hinzufügen, um ein Gesamtvolumen von 2,5 mL zu erreichen.
  5. Fügen Sie die Polymerlösung tropfweise in die MOF-Suspension ein und rühren Sie die Mischung bei 150 U/min mindestens 150 Minuten bei 35 °C um.
    HINWEIS: Diese MOF- und Polymermischung wird als Dope-Lösung bezeichnet.
  6. Gießen Sie die Dope-Lösung in eine Glaspetrischaal oder eine Polytetrafluorethylenschale (PTFE) auf einer ebenen Oberfläche.
    HINWEIS: Die Glas-Petrischale oder PTFE-Schale muss mindestens 10 Minuten in einen Handschuhbeutel gelegt werden, der mit Chlorformdampf vorgesättigt ist.
  7. Bewahren Sie die Sauce mit Dope-Lösung über Nacht bei RT (25 °C) im Handschuhbeutel auf.
  8. Erlaube langsame Verdunstung des Chloroformlösungsmittels, um MOF-Nanoblätter innerhalb der Polymermatrix selbst zusammenzusetzen (Abbildung 3).
    HINWEIS: Die In-Plane-Ausrichtung von MOF-Nanoblättern erfolgt durch die langsame Verdunstung des Lösungsmittels während der Membranvorbereitung28.
  9. Lösen Sie die freistehende [001]-orientierte MMMOF-Membran mit einem Pfannenwender von der Petrischale ab (Abbildung 4).
  10. Trocknen Sie die Membran in einem Vakuumofen bei 200 °C für 20 Stunden, um eventuelle Reste von Chloroform zu entfernen.
  11. Stelle AlFFIVE-1-Ni-Nanopartikel mit einer gemischten Matrixmembran mit demselben Verfahren (Schritte 2.1-2.10) her, verwenden jedoch AlFFIVE-1-Ni-Nanopartikel anstelle von AlFFIVE-1-Ni-Nanoblättern.

3. Charakterisierung von [001]-orientierten MMMOF-Membranen

  1. Erhalten Sie das Querschnitts-Rasterelektronenmikroskopiebild (SEM) der Membran, um zu bestätigen, dass die (001)-Nanoblätter gleichmäßig in der Ebene ausgerichtet sind (Abbildung 5A).
    HINWEIS: Vor der SEM-Bildmessung sollte die Membran kryogen in flüssigem Stickstoff gebrochen werden, um ihre Mikrostrukturen zu erhalten. SEM-Bilder wurden mit Magellan 400-FEG aufgenommen, der mit einer Beschleunigungsspannung von 1,5 kV und einem Emissionsstrom von 13 pA arbeitete.
  2. Bewerten Sie die Röntgenbeugung (XRD) der Membran, um die kristallographische Orientierung des (001)-Nanoblatts in der Polymermatrix zu bestimmen (Abbildung 5B).
    HINWEIS: Die [001]-orientierte Membran soll nur zwei Haupt-Bragg-Beugungen von den beiden kristallographischen Ebenen ([002], [004]) der AlFFIVE-1-Ni-Struktur zeigen. Die XRD-Datenerhebung erfolgte auf einem Diffraktometer (Cu Kα = 1,54056 Å) in Bragg-Brentano θ-θ-Geometrie mit folgenden Einstellungen: Betriebsleistung: 40 kV/40 mA; Automatischer Divergenzspalt (bestrahlte Länge = 0,6 mm), Probenhalter: Flachplatten-Probenhalter; Temperatur: RT; Methode: Kontinuierliche Zählmethode (3° Min-1); 2 Entfernung: 4°-40°.
  3. Führen Sie fokussierte Ionenstrahl-SEM-(FIB-SEM)-Bildanalysen der orientierten Membran durch, um die stark ausgerichtete Natur von Nanosheets und die innere Mikrostruktur der Membran auf einer ausgedehnten Fläche zu überprüfen (Abbildung 6).
    HINWEIS: FIB-SEM ist eine ausgezeichnete Charakterisierungstechnik zur Identifizierung der Kompatibilität von MOF-Polymer-Schnittstellen.
    1. Erzeugen Sie einen etwa 35 μm breiten Graben auf der Oberseite der MMMOF-Membran und überdecken Sie die verbleibende Fläche mit abgelagertem Platin (Abbildung 6A).
      1. Sputter die Membran mit \u201210 nm Iridium beschichten. Vor dem Fräsen wird eine Schutzschicht von Pt (0,3–0,4 μm Dicke) auf die Bereiche der Probe aufgetragen.
      2. Anschließend wird das Gallium-(Ga+)-Ionenstrahl-FIB mit 5 kV und 75–100 pA verwendet, um einen Graben auf der Oberseite der Membran zu schaffen.
    2. Schneiden und fräsen Sie die Membran mit einer Mindestdicke von 50 nm mit der FIB ab, die bei etwa 5 kV und 25 pA arbeitet (Abbildung 6B).
    3. Sammeln Sie zwischen 100 und 300 einzelne SEM-Mikrographen der aufeinanderfolgenden Querschnitte, die mit einem Vergrößerungsbereich von 12.000x bis 45.000x gefräst werden, mit einem Sekundärelektronendetektor bei ~1 kV (Abbildung 6C).
    4. Richten Sie das Stapeln der Bilder mit einem externen Merkmal auf der Membranoberfläche mithilfe eines Kreuzkorrelationsalgorithmus aus.
  4. Analysieren Sie die relativen Viskositätsänderungen von Nanoplatten-Polymer-Suspension (Dope-Lösung) in Bezug auf die Rührzeit (Abbildung 7).
    HINWEIS: Rheologische Charakterisierung ist recht einfach, aber effektiv zur Aufklärung der verstärkten Wechselwirkung zwischen MOF-Nanosheets und Polymeren.
  5. Sammeln Sie Spannungs-Dehnungskurven von Membranen bei unterschiedlichen MOF-Belastungen und berechnen Sie den Youngschen Modul und die Dehnungsdehnung aus Spannungs-Dehnungskurven.
    HINWEIS: Die mechanischen Eigenschaften der Membran können mittels Spannungs-Dehnungsanalyse bewertet werden.
  6. Beurteile die MOF-Nanoblattbelastung in der orientierten Membran mittels der thermogravimetrischen Analyse.
    1. Zuerst etwa 10 mg Nanosheet-Pulver unter N2 aktivieren und bei 200 °C für 135 Minuten reinigen, um die Aktivierung sicherzustellen.
    2. Erhöhen Sie die Temperatur auf 800 °C bei einer Erhitzungsrate von 10 °C·min−1 bei O2-Strömung und halten Sie die Temperatur 2 Stunden lang bei 800 °C. Vergleichen Sie die Restmasse des Metalloxids mit der initialen aktivierten Masse des MOF28.
    3. Verwenden Sie dasselbe Protokoll (Schritte 3.6.1 und 3.6.2) für MOF-nanoblatthaltige Membranen, um die MOF-Belastung zu bestimmen.
      HINWEIS: Aus der restlichen Metalloxidmasse nach Erhitzen bei 800 °C für 2 Stundenunter O2-Umgebung kann der Gehalt der MOF-Nanoplatten in der Membran bestimmt werden.

4. Bewertung der Einzel- und Mischgastrennungseigenschaften orientierter Membranen

  1. Bewerten Sie Einzel- oder Reingaspermeationsmessungen mit einer selbstgemachten variabelen Druck-Konstantvolumen-Methode28.
    HINWEIS: Eingaspermeationsbedingung typischerweise bei 35 °C und 2 bar Zufuhrdruck für He, H2, CO2, O2, N2, CH4, C2H4, C2H6, C3H6 und C3H8. Ein selbstgebautes Gastrenngerät wurde verwendet. Siehe unser zuvor veröffentlichtes Werk28 für Details zum Aufbau.
    1. Schneiden Sie die Membran mit einem mechanischen Stempel in eine Kreis-/Münzenform von etwa 2 cmund 2 cm groß .
    2. Montiere die Membran an der Permeationszelle, maskiere sie mit Klebeband und versiegele sie mit Epoxidharzen.
      HINWEIS: Die Membrandichtung mit Epoxidharz sollte sorgfältig durchgeführt werden, um unerwünschte Lochlöcher zu vermeiden.
    3. Halten Sie einen ausgewählten Bereich der Membran für Gasdurchdringung frei.
    4. Messen Sie die zugängliche Fläche der Membran für Gaspermeation mit einem Scanner und messen Sie die Membrandicke mit einem Tiefenmessgerät.
    5. Evakuieren Sie das Permeationssystem bei 35 °C für 12 Stunden, bevor ein Permeationstest durchgeführt wird.
      HINWEIS: Dieser Schritt hilft, während der Membranversiegelung adsorbierte Feuchtigkeit zu entfernen.
    6. Geben Sie das Gas mit 2 bar (vorgelagertem Druck) ein und warten Sie 20 Minuten, bis die Temperatur des Permeationssystems ausgeglichen ist.
    7. Berechnen Sie die Einzelgaspermeabilität anhand der Steigung des Downstream-Drucks im Vergleich zur Zeit (dp/dt) im stationären Zustand mit folgender Gleichung:
      figure-protocol-1 figure-protocol-2(1)
      HINWEIS: P bezieht sich auf die Gasdurchlässigkeit einer Membran im Barrer (1 Barrer = 10–10 cm3(STP)·cm-2·s-1·cmHg-1), V ist das Volumen der nachgeschalteten Kammer (cm3), l ist die Membrandicke (cm), p0 ist der vorgelagerte Druck (cmHg), A bezeichnet die effektive Fläche der Membran (cm2), R ist die Gaskonstante (0,278 cm3 cmHg cm-3(STP) K-1), T ist die Betriebstemperatur (K).
    8. Erhalten Sie die ideale Selektivität (SA/B) von Gas A zu Gas B mit folgender Gleichung:
      figure-protocol-3(2)
      HINWEIS: PA und PB bezeichnen die Permeabilität der Gase A bzw. B.
  2. Messungen der Durchdringung von Mischgasen bewerten.
    1. Verwenden Sie das binäre Gasgemisch (CO2/CH4:10/90; 20/80 und 50/50) und/oder das ternäre Gasgemisch (H2S/CO2/CH4:1/9/90; 2/18/80 und 5/5/90) für Mischgastrennungstests.
    2. Verwenden Sie modifizierte Eingaspermeationsgeräte für die Messung der Mischgaspermeation, die mit der Mikrogaschromatographie (Agilent 490 Micro-GC)28 integriert werden muss.
      HINWEIS: Der Mischgas-Zufuhrdruck kann zwischen 2 und 30 bar und die Temperatur zwischen 25 und 100 °C variiert werden.
    3. Halte den Stufenschnitt (das Durchflussverhältnis von Permeat zu Futter) unter 1%.
      HINWEIS: Die Gaskonzentrationspolarisation auf der oberen Seite der Membran kann auf diese Weise umgangen werden und erhält auch die konstante Antriebskraft über die Membran während der Gaspermeationsstudie.
    4. Lassen Sie das Gasgemisch durch die Membran eindringen, bis eine stationäre Permeationsrate erreicht wird, typischerweise über 5-Zeitverzögerungen.
    5. Entfernen Sie das Permeatgemisch und sammeln Sie das Gasgemisch dann unter stationären Bedingungen auf.
    6. Verdünnen Sie das Permeatgas mit He-Gas und analysieren Sie das Gasgemisch mit einem Micro-GC.
    7. Berechnen Sie die Durchlässigkeit des gemischten Gases der Komponente i (Pi) mit folgender Gleichung.
      figure-protocol-4(3)
      HINWEIS: y und x sind die Molfraktionen in Permeat bzw. Feed, und p0 ist der Zuführdruck der Komponente i.
    8. Analysieren Sie die Selektivität der gemischten Gase (Si/j) anhand des Verhältnisses der Permeabilität zweier Komponenten, i und j.
      figure-protocol-5(4)

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Ergebnisse

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Orientierte Nanoblatt-Füllstoffe (Abbildung 1) bieten von Natur aus mehrere Vorteile bei MMMs im Vergleich zu Nanopartikeln. Die relativ große äußere Oberfläche und die verringerte Mikroporendiffusionsdistanz der Nanoblätter fördern die Gasdiffusion in Richtung mit erhaltener molekularer Diskriminierung (Abbildung 2). Die relativ große äußere Oberfläche von Nanoblättern im Vergleich zu Nanopartikeln bietet eine größere Verbesser...

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Diskussion

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

Die Synthese von orientierten MOF-Nanosheets mit hohem Aspektverhältnis ist bemerkenswert herausfordernd. Im Gegensatz zu anderen Anwendungen müssen die MOF-Nanosheets für die Gastrennung ohne Tensid und/oder Template synthetisiert werden, um unerwünschte Substanzen auf der Oberfläche von MOF-Nanoblättern zu vermeiden. Zusätzlich sollten die Kanäle/Poren der Nanoblätter aus der ebenen Richtung ausgerichtet sein, um die Gasdiffusion in die Richtung zu fördern. Jede MOF-Struktur hat einen ...

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Offenlegungen

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

Die Autoren haben nichts offenzulegen.

Danksagungen

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

Diese Forschung wurde von der King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) unterstützt. S.J.D. und M.E. bestätigen die Unterstützung von KAUST.

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Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
Aluminium (III) Hydroxidhydrat  Aldrich1330-44-5
Bruker D8 AdvanceBrukerNARöntgendiffraktometer  
CAP-2000+ ViskosimeterAMETEK BrookfieldNARheologische Charakterisierung
Chloroform (99,8 %)Sigma-Aldrich67-66-3
CO2/CH4 : 50/50, 20/80, 10/90 und H2S/CO2/CH4 = 1/9/90, 2/18/80, 5/5/90 Air Liquid und AHGNA
Dichloromethan (99,9 %)Sigma-Aldrich75-09-2
Ethanol (99,7 %)VWR64-17-5
H2 (99,999 %), N2 (99,999 %), CO2 (99,999 %), CH4 (99,999 %), C3H6 (99,5 %), C3H8 (99,5 %) Air Liquid und AHGNA
Helios G4 UX DualBeam-MikroskopThermoFisherNAFIB-SEM 
Selbstgebaute GastrenninstrumenteNANASiehe Ref. 28 für Details zur Einrichtung
Flusssäure (48 Gewichtsprozent im Wasser)Sigma-Aldrich7664-39-3
Magellan 400-FEGThermoFisherNASEM-Bilder 
Nickel(II)-Acetattetrahydrat (99 %)Organische Stoffe6018-89-9
Polyimid 6FDA-DAM (MW = 330 kDa, PDI: 2,48)Akron Polymer Systems, Inc.NA
Pyrazin (99 %)Aldrich290-37-9
TA Q-5000 AnalysatorTA-InstrumenteNATGA 
Tetrahydrofuran (99 %)Sigma-Aldrich109-99-9

Referenzen

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