Elektrophoretische Kristallisation von ultradünnen Hochleistungs-Metall-organischen Rahmen Membranen

Diese Methode kann helfen, die Schlüsselfrage bei der Synthese von polykristallinen MOF-Schichten zu beantworten, z. B. wie MOF-Membranen reproduzierbar synthetisiert werden können. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass wir die heterogene Keimbildung über eine Vielzahl von Substraten kontrollieren können, was zu ultradünnen, lochfreien MOF-Schichten führt. Mit Hilfe des Crystal Engineering, das eine kontrollierte Keimbildung und ein kontrolliertes Wachstum beinhaltet, wollen wir das Syntheseprotokoll von MOF-Filmen vereinfachen.

Schneiden Sie zunächst eine hochreine Kupferfolie in vier mal vier Zentimeter große Stücke. Um das Klemmen der geschnittenen Folie mit einem Satz kupferfarbener Krokodilklammern zu erleichtern, ziehen Sie eine Linie 0,5 Zentimeter von einer der Kanten jeder quadratischen Folie entfernt. Glätten Sie dann jede Folie mit einer zylindrischen Walze auf einer sauberen Oberfläche.

Reinigen Sie die Kupferfolien gründlich durch Badbeschallung in Aceton für 15 Minuten, gefolgt von Badbeschallung in Isopropanol für 15 Minuten. Anschließend trocknest du die Kupferfolien in einer Glasschale. Positionieren Sie das gewünschte Substrat vorsichtig mit Klebeband in der Mitte der Kupferelektrode.

Spülen Sie die Substratelektrodeneinheit eine Minute lang mit Wasser, gefolgt von Isopropanol und erneut mit Wasser. Befestigen Sie anschließend eine blanke Kupferelektrode an einer Anode. Befestigen Sie dann die Substratelektrodeneinheit an einer Kathode.

Legen Sie die beiden Elektroden in ein 100-Milliliter-Glasbecherglas und stellen Sie den Abstand zwischen ihnen auf einen Zentimeter ein. 31,6 Gramm Zinkhexahydratlösung und 35 Gramm Benzimidazollösung in ein 100-Milliliter-Becherglas geben und 30 Sekunden lang bei Raumtemperatur rühren, um das Vorläufersol zu bilden. Das Vorläufersol wird in das Becherglas mit den Elektroden überführt.

Tauchen Sie dann beide Elektroden bis zur 3,5-Zentimeter-Markierung ein, indem Sie die Höhe des Bechers einstellen. Führen Sie die elektrophoretische Abscheidung mit einer Abscheidungsspannung von einem Volt für vier Minuten durch, indem Sie die Stromversorgung der Stromquelle einschalten. Am Ende der Abscheidung wird das Becherglas langsam abgesenkt, um eine störende schwache Adhäsion zwischen den frisch abgeschiedenen Kernen und dem Substrat zu vermeiden.

Nachdem Sie das Substrat getrocknet haben, übertragen Sie es mit Klebeband auf einen mikroskopisch kleinen Objektträger, um das Substrat an Ort und Stelle zu halten. Für die Kristallzüchtung mischen Sie 31,6 g Zinkhexahydratlösung und 35 g 2-Methylimidazollösung in einem 100-Milliliter-Becherglas. Legen Sie den mikroskopisch kleinen Objektträger mit dem Substrat senkrecht in die Vorläuferlösung und lassen Sie ihn 10 Stunden lang bei 30 Grad Celsius ungestört

Nach 10 Stunden Kristallwachstum spülen Sie das Substrat 30 Minuten lang mit Wasser ab. Trocknen Sie dann den Untergrund in einer sauberen Atmosphäre. Um den Dichtstoff vorzubereiten, mischen Sie einen gleichen Anteil Epoxidharz und Härter gründlich und lassen Sie die Mischung eine Stunde lang stehen.

Platzieren Sie die ZIF-8-Membran auf einer 24 Millimeter breiten Stahlscheibe mit einem Loch von fünf Millimetern Durchmesser in der Mitte. Tragen Sie das Epoxidharz entlang der Ränder des Substrats auf und bedecken Sie anschließend das Substrat mit Ausnahme des Lochs mit einem Durchmesser von fünf Millimetern in der Mitte. Nachdem Sie das Epoxidharz über Nacht trocknen gelassen haben, scannen Sie die Membran mit einem Stereomikroskop zusammen mit der bekannten Referenzskala.

Verwenden Sie eine grafische Software, um den belichteten Bereich der Membran aus dem gescannten Bild zu berechnen. Legen Sie anschließend die Stahlscheibe mit der Membran in die Permeationszelle aus Edelstahl und stellen Sie die Zelle in einen Ofen. Stellen Sie sicher, dass die Dichtheit dicht ist, indem Sie Viton-O-Ringe über und unter der Stahlscheibe platzieren und die Schrauben befestigen.

Stellen Sie die Gasdurchflussmengen an der Zuführ- und der Kehrseite auf 30 Milliliter pro Minute ein. Um das während der Synthese absorbierte Wasser zu entfernen, erhitzt man die Membranzelle mit Wasserstoff als Speisegas und Argon als Sweepgas zwei Stunden lang bei 130 Grad Celsius. Halten Sie einen Druck von 0,1 Megapascal auf der Vorschub- und der Sweep-Seite aufrecht, indem Sie die Nadelventile auf der Retentat- bzw. Permeatseite einstellen.

Ändern Sie den Gasfluss auf der Zuführseite auf Zielgas und stellen Sie den Gasdurchfluss auf 30 Milliliter pro Minute ein. Stellen Sie die Temperatur des Backofens auf die gewünschte Temperatur ein. Berechnen Sie dann die Permeanz in Excel, sobald ein stationärer Zustand gemäß den Daten aus dem Massenspektrum hergestellt ist.

Die REM-Bilder und XRD-Muster zeigen, dass der ZIF-8-Kernfilm kompakt ist und zeigen, dass die ENACT-Methode bei der Kontrolle der heterogenen Keimdichte über ein Substrat sehr effizient ist. Nach dem Wachstum ist die vom REM beobachtete Filmmorphologie kompakt und lochfrei und scheint stark verwachsen zu sein. Die Oberflächen- und Querschnittsmorphologien des AAO-Trägers, der ZIF-8/AAO-Membran, des PAN-Trägers und der ZIF-8/PAN-Membran sind hier dargestellt.

Die Gaspermanenzdaten von ZIF-8/AAO- und ZIF-8/PAN-Membranen zeigen, dass ihre Wasserstoff-Propan-Selektivität 2700 bzw. 190 beträgt, was beweist, dass die MOF-Schicht nahezu defektfrei ist. Die ZIF-8/AAO-Membran weist aufgrund der ultradünnen Dicke eine extrem hohe Wasserstoffdurchlässigkeit auf. Bei diesem Verfahren ist es wichtig, die Kristallinduktion abzuwarten, bevor die elektrophoretische Abscheidung angewendet wird.

Zum Beispiel kann die Kristallinduktion durch die Untersuchung des Vorläufersols in einem Transmissionselektronenmikroskop bestätigt werden. Dieses Protokoll ermöglicht es, die heterogene Keimdichte und die Dicke des Kernfilms durch einfache Steuerung des elektrischen Feldes und der elektrophoretischen Abscheidungszeit präzise zu steuern und kann auf die Synthese polykristalliner Schichten verschiedener Strukturen erweitert werden. Nach der Entwicklung dieser Technik ebnete sie uns den Weg für die Durchführung systematischer Studien über technische MOF-Schichten mit einer Dicke von weniger als 100 Nanometern.

Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit Methylimidazol und Zinknitrat gefährlich sein kann, und Vorsichtsmaßnahmen wie das Tragen von Handschuhen und das Bedienen in einem Abzug sollten bei der Durchführung dieses Verfahrens immer getroffen werden.