Name: Electroforético cristalización de membranas ultrafinas marco Metal-orgánico de alto rendimiento (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-08-16T15:00:00.000+00:00
Duration: 7 min 45 s
Description: Aprende a sintetizar membranas de MOF policristalinas mediante electroforesis controlada sobre sustratos de cobre. Este método permite obtener películas ultrafinas sin poros para aplicaciones en ciencia de materiales.

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Reconocemos nuestra institución, la École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), por su generoso apoyo. Este proyecto ha recibido financiación de Horizon 2020 investigación la Unión Europea y programa de innovación en Marie Skłodowska-Curie conceder acuerdo Nº 665667. Los autores agradecen a Pascal Alexander Schouwink por su ayuda con DRX.

PRECAUCIÓN: Lea cuidadosamente las hojas de datos de seguridad del material (MSDS) de los productos químicos implicados. Algunos de los productos químicos utilizados en el experimento son tóxicos. El presente método consiste en la síntesis de nanopartículas. Por lo tanto, tomar las precauciones apropiadas. El procedimiento de síntesis todo debe realizarse en una campana bien ventilada.
Nota: Los detalles de los instrumentos, los productos químicos y los materiales involucrados en la síntesis de las películas MOF se enumeran en la tabla 1.
1. preparación de una solución de sal metálica y vinculador solución el sol Precursor
Nota: Para la síntesis de la película de ZIF-8, zinc nitrato hexahidratado [Zn (NO3)2.6H2O] se utiliza como la sal y 2-metilimidazol (HmIm) se utiliza como el vinculador.
<ol><li>Para la solución de sal metálica, disolver 2,75 g de Zn (NO3)2.6H2O en 500 mL de agua.</li>
	<li>Para la solución de vinculador, disolver 56,75 g de HmIm en 500 mL de agua y revolver continuamente hasta obtener una solución clara.</li>
</ol>2. preparación de electrodos de Cu
<ol><li>Cortar una lámina de cobre de alta pureza (con una pureza de 99.9%, 127 μm de espesor) en 4 x 4 cm.</li>
	<li>Para la facilidad de fijación de la hoja del corte a un conjunto de clips cocodrilo Cu, trace una línea a una distancia de 0.5 cm de uno de los bordes de la hoja cuadrada.</li>
	<li>Aplane la hoja usando un rodillo cilíndrico sobre una superficie limpia.</li>
	<li>Limpiar las láminas de cobre por sonicación de baño en acetona durante 15 min, seguido de sonicación de baño en isopropanol durante 15 minutos.</li>
	<li>Secar las láminas de cobre en un ambiente limpio.</li>
</ol>3. colocación de sustratos para el electrodo (cátodo)
Nota: Eligieron un substrato adecuado para depositar la película MOF. El método puede aplicarse a la AAO (Anodisc, 13 mm de diámetro alojamiento los poros con un diámetro de poro de 0.1 μm), poliacrilonitrilo (PAN, corte de peso molecular: 100 kDa), hoja del Cu (99.9% de pureza, 25 μm de espesor), una película de base de deposición de vapor químico de grafeno sobre un Hoja del Cu11y una película de carbono nanoporosos caseros en hoja del Cu12,13,14.
<ol><li>Coloque cuidadosamente el sustrato deseado en el centro del electrodo de Cu con una cinta.</li>
	<li>Enjuague el conjunto de sustrato/el electrodo con agua, seguido por el isopropanol y otra vez con agua durante aproximadamente 1 minuto.</li>
	<li>Coloque un electrodo de Cu desnudo (4 x 4 cm) en el ánodo. Luego fije el conjunto de sustrato/electrodo al cátodo.</li>
	<li>Ajustar la separación entre los dos electrodos a 1 cm dentro de un vaso de precipitados de vidrio de 100 mL.</li>
</ol>4. aprobar el procedimiento para la película de ZIF-8
<ol><li>31,6 g de la solución precursora de metal y 35 g de la solución ligando en un vaso de precipitados de 100 mL de la mezcla y revuelva durante 30 s a temperatura ambiente para formar el sol precursor. Nota: El tiempo de inducción de ZIF-8 en estas condiciones es menos de 60 s y, por tanto, el EPD tiene que llevarse a cabo sin demora.</li>
	<li>Transferir el sol precursor al recipiente que aloja los electrodos.</li>
	<li>Sumerja los electrodos de ambos hasta la marca de 3.5 cm en los electrodos. Nota: En nuestros experimentos, hemos observado aplicando el campo eléctrico antes de 3 minutos del envejecimiento del sol conduce a la penetración de los núcleos más pequeños de la ZIF-8 en los poros de substratos porosos (AAO en este caso particular), que debe ser evitado. Por lo tanto, el campo eléctrico se activa sólo después de 3 minutos, cuando los núcleos crecen algo más grandes.</li>
	<li>Llevar a cabo la EPD con una tensión de deposición de 1 V para 4 minutos. La corriente debe estar en el rango de 2.5-3.5 mA.</li>
	<li>Al final de la EPD, baje lentamente el vaso. Como la adherencia entre los núcleos recién depositados y el substrato es débil, máximo debe tener cuidado al manipular el sustrato.</li>
	<li>Transferir el sustrato seco a un portaobjeto microscopio. Utilice cinta para mantener el sustrato en su lugar.</li>
	<li>Para el crecimiento de cristal, mezclar 31,6 g de la solución de sal metálica y 35 g de la solución de vinculador en un vaso de precipitados de 100 mL.</li>
	<li>Coloque el portaobjetos de cristal microscópico junto con el sustrato en posición vertical en la solución precursora y deje reposar durante 10 horas a 30 ° C.</li>
	<li>Después de hasta 10 h de crecimiento de cristales, lavar el sustrato con agua durante 30 minutos y seque en un ambiente limpio.</li>
</ol>5. aprobar el procedimiento para la película de ZIF-7
<ol><li>Sintetizar el ZIF-7 la película en un soporte AAO por un método similar al utilizado para la película de ZIF-8 pero con las siguientes diferencias.</li>
	<li>Después de mezclar 0,82 g de Zn (NO3)2·6H2O en 30 mL de dimetilformamida (DMF) y 0,72 g de bencimidazol en 30 mL de metanol durante 3 minutos, llevar a cabo la EPD durante 1 minuto.</li>
	<li>Sintetizar una película ZIF-7 pegada por inmersión de la película de núcleos de ZIF-7 en un sol precursor conteniendo 0,58 g de Zn (NO3)2·6H2O 0.3 g de bencimidazol y 30 mL de DMF a 110 ° C durante 4 horas.</li>
	<li>Después de enfriar la solución, lavar la membrana ZIF-7/AAO sumergiéndolos en DMF, seguido por secado a 60 ° C durante 12 h.</li>
</ol>6. membrana preparación y caracterización
<ol><li>
Preparación de la membrana
	<ol>
<li>Para la preparación de un sellador, homogeneizar la proporción de la resina y el endurecedor y dejar la mezcla durante 1 hora.</li>
		<li>Coloque las membranas ZIF-8 y soporte en un disco de acero 24 mm de ancho con un agujero de 5 mm de diámetro en el centro.</li>
		<li>Aplicar el epoxi a lo largo de los bordes del sustrato al principio y, posteriormente, cubrir el sustrato excepto el agujero de 5 mm de diámetro en el centro.</li>
		<li>Permita que el epoxi seco durante la noche.</li>
		<li>Utilizar un microscopio estéreo para analizar la membrana junto con una escala de referencia.</li>
		<li>Utilizar software gráfico para calcular el área expuesta de la membrana de la imagen escaneada.</li>
	</ol>
</li>
	<li>
Prueba de permeabilidad de gas Nota: En nuestros experimentos, las pruebas de permeabilidad de gas del solo-componente se realizaron por la técnica de Kallenbach Wicke en una celda de permeación caseros. Los controladores de flujo másico (MKS) y espectrómetro de masas utilizados en la instalación de impregnación fueron calibrados en un rango de error de 5%. Controladores de flujo másico (MFC) regulan la alimentación y el caudal de gas de barrido. Ar se utiliza como el gas de barrido que lleva el gas permeado a un espectrómetro de masas calibrado (MS) para un análisis en tiempo real de la concentración del permeado.<ol>
<li>Coloque el disco de acero con la membrana en la celda de permeación de acero inoxidable.</li>
		<li>Asegurar un ajuste hermético mediante la colocación de anillos O de Viton arriba y abajo el disco de acero y apriete los tornillos. Para eliminar el agua adsorbido durante la síntesis, seca las membranas a 130 ° C bajo una atmósfera de H2/Ar hasta una permeancia constante de2 H.</li>
		<li>Colocar la preparación dentro del horno y la temperatura a 130 ° C.</li>
		<li>Asegurar la alimentación y el barrido de las líneas se ha precalentado.</li>
		<li>Establecer las tasas de flujo de gas en la alimentación y los lados de barrido a 30 mL/min.</li>
		<li>Mantener una presión de 0,1 MPa en la alimentación y el barrido ajustando las válvulas de aguja en el retenido y el permeado, respectivamente.</li>
		<li>Calcular la permeancia de una vez que se establece un estado estacionario.</li>
		<li>Lentamente enfriar el horno (en aproximadamente 2 h) a 30 ° C y registre los valores otra vez una vez que se establece un estado estacionario.</li>
	</ol>
</li>
</ol>

<ol><li>Knebel, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Defibrillation+of+soft+porous+metal-organic+frameworks+with+electric+fields%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Defibrillation of soft porous metal-organic frameworks with electric fields.</a> Science. 358, 347-351 (2017).</li>
<li>Brown, A. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Interfacial+microfluidic+processing+of+metal-organic+framework+hollow+fiber+membranes%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Interfacial microfluidic processing of metal-organic framework hollow fiber membranes.</a> Science. 345, 72-75 (2014).</li>
<li>Dzubak, A. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Ab+initio+carbon+capture+in+open-site+metal-organic+frameworks%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Chemistry%22%5BJournal%5D)">Ab initio carbon capture in open-site metal-organic frameworks.</a> Nature Chemistry. 4, 810-816 (2012).</li>
<li>Gascon, J., Kapteijn, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Metal-organic+framework+membranes-high+potential%2C+bright+future%5BTitle%5D)+AND+%22Angewandte+Chemie+International+Edition%22%5BJournal%5D)">Metal-organic framework membranes-high potential, bright future.</a> Angewandte Chemie International Edition. 49, 1530-1532 (2010).</li>
<li>Liu, X., Wang, C., Wang, B., Li, K. <a target="_blank" href="https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201604311">Novel Organic-Dehydration Membranes Prepared from Zirconium Metal-Organic Frameworks.</a> Advanced Functional Materials. 27, 1-6 (2017).</li>
<li>Zhang, F., et al. <a target="_blank" href="https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.201200084">Hydrogen selective NH2-MIL-53(Al) MOF membranes with high permeability.</a> Advanced Functional Materials. 22, 3583-3590 (2012).</li>
<li>Kwon, H. T., Jeong, H. -K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In+situ+synthesis+of+thin+zeolitic-imidazolate+framework+ZIF-8+membranes+exhibiting+exceptionally+high+propylene%2Fpropane+separation%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+the+American+Chemical+Society%22%5BJournal%5D)">In situ synthesis of thin zeolitic-imidazolate framework ZIF-8 membranes exhibiting exceptionally high propylene/propane separation.</a> Journal of the American Chemical Society. 135, 10763-10768 (2013).</li>
<li>Hou, J., Sutrisna, P. D., Zhang, Y., Chen, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Formation+of+ultrathin%2C+continuous+metal-organic+framework+membranes+on+flexible+polymer+substrates%5BTitle%5D)+AND+%22Angewandte+Chemie+International+Edition%22%5BJournal%5D)">Formation of ultrathin, continuous metal-organic framework membranes on flexible polymer substrates.</a> Angewandte Chemie International Edition. 55, 3947-3951 (2016).</li>
<li>Barankova, E., Tan, X., Villalobos, L. F., Litwiller, E., Peinemann, K. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+metal+chelating+porous+polymeric+support%3A+the+missing+link+for+a+defect-free+metal-organic+framework+composite+membrane%5BTitle%5D)+AND+%22Angewandte+Chemie+International+Edition%22%5BJournal%5D)">A metal chelating porous polymeric support: the missing link for a defect-free metal-organic framework composite membrane.</a> Angewandte Chemie International Edition. 56, 2965-2968 (2017).</li>
<li>He, G., Dakhchoune, M., Zhao, J., Huang, S., Agrawal, K. V. <a target="_blank" href="https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201707427">Electrophoretic Nuclei Assembly for Crystallization of High-Performance Membranes on Unmodified Supports.</a> Advanced Functional Materials. , In press (2018).</li>
<li>Li, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Large-area+synthesis+of+high-quality+and+uniform+graphene+films+on+copper+foils%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Large-area synthesis of high-quality and uniform graphene films on copper foils.</a> Science. 324, 1312-1314 (2009).</li>
<li>Rodriguez, A. T., Li, X., Wang, J., Steen, W. A., Fan, H. <a target="_blank" href="https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.200600952">Facile synthesis of nanostructured carbon through self-assembly between block copolymers and carbohydrates.</a> Advanced Functional Materials. 17, 2710-2716 (2007).</li>
<li>Huang, S., et al. Large-area single-layer graphene membranes by crack-free transfer for gas mixture separation. Nature Communications. , Accepted (2018).</li>
<li>Agrawal, K. V., Dakachoune, M., Huang, S., He, G., Dudani, N. Ultrahigh flux gas-selective nanoporous carbon membrane and manufacturing method thereof. , Patent. Application PCT/EP2017/057684 (2017).</li>
<li>Liu, J., Wöll, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Surface-supported+metal-organic+framework+thin+films%3A+fabrication+methods%2C+applications%2C+and+challenges%5BTitle%5D)+AND+%22Chemical+Society+Reviews%22%5BJournal%5D)">Surface-supported metal-organic framework thin films: fabrication methods, applications, and challenges.</a> Chemical Society Reviews. 46, 5730-5770 (2017).</li>
</ol>

Los autores no tienen nada que revelar.

La característica sobresaliente del método con respecto a los métodos existentes15 ENACT es que el método ENACT permite la síntesis de películas MOF muy pegadas, ultrafinas en una amplia gama de sustratos porosos y no porosos. Se evita cualquier pretratamiento del sustrato, haciendo este método bastante sencillo para la síntesis de películas MOF. Aunque el equipo EPD debe ser utilizado para la deposición de una película de núcleos, el equipo se compone de una fuente de energía, un electrodo de met...

Las membranas delgadas de tamizado moleculares ofrecen una eficacia alta energía en la separación de las moléculas y pueden reducir los costos de combustibles, captura de CO2 , purificación del agua, recuperación de solventes, etc.1,2. MOF es una prometedora clase de material para la síntesis de membranas tamizadas moleculares debido a la química sintética isoreticular implicados y cristalización relativamente simple3. Hasta la fecha, MOF membranas consta de diversas estructuras cristalinas, incluyendo que ZIF-4, -7, -8, -9, -11,-67, -90 y -93 y UiO-66, HKUST-1 y 53 MIL han sido reportados4,5. Estas membranas son sintetizadas por la cristalización de la películas MOF policristalinos de alta calidad sobre un soporte poroso. Generalmente, para obtener una selectividad alta separación, es necesario reducir los defectos en la película MOF policristalino (como agujeros de alfiler y defectos de límite de grano). Un método conveniente para reducir los defectos es cristalizar una película gruesa. No en vano, varios de los anteriormente informados en MOF, las membranas son extremadamente gruesas (más de 5 μm). Por desgracia, películas gruesas conducen a un camino de difusión largo, que limita la permeabilidad de la membrana. Por lo tanto, mientras se mejora la selectividad, permeancia es sacrificado. Para eludir este compromiso, es imperativo desarrollar métodos cristalizar ultrafino (&lt; 0.5 μm espesor), defectos películas MOF.
ZIF-8 es el más intensamente estudiado MOF para la síntesis de membrana, debido a su excepcional estabilidad térmica y química y una cristalización simple química6,7. Hasta ahora, se han realizado las membranas ultrafinas divulgadas de ZIF-8 cambiando la química de superficies o topología del sustrato poroso subyacente, favorecen la nucleación heterogénea de ZIF-8, que es esencial para una película polycrystalline pegados. Por ejemplo, Chen et al. informó la síntesis de 1 película de ZIF-8 μm de espesor (3-aminopropil) modificado de trietoxisilano TiO2-revestido poly(vinylidene fluoride) (PVDF) hueco fibras8. Se observa una densidad de alta nucleación heterogénea y atribuye a la modificación simultánea de la química de superficies y nanoestructuras. El grupo Peinemann informó una membrana ultrafina de ZIF-8 sobre un metal-quelantes, polythiosemicarbazide (PTSC) apoyo9. Esta única capacidad quelante de metal de PTSC condujo a la Unión de los iones de zinc, promover la nucleación heterogénea de ZIF-8 que, posteriormente, condujo a ZIF-8 membranas de alto rendimiento. En general, templar la química del substrato y nanoestructura facilita la síntesis de membranas de alto rendimiento MOF; sin embargo, estos métodos son bastante complejos y generalmente no pueden ser reaplicados para sintetizar membranas MOF de otras atractivas estructuras MOF.
Adjunto, divulgamos la síntesis de ultrafino, muy pegados ZIF-8 películas utilizando un enfoque de cristalización simple y versátil que puede ser reaplicado para formar una fina película pegada de varios materiales cristalinos10. Se muestran ejemplos de películas ZIF-8 y 7 ZIF preparados sin ningún pretratamiento del sustrato, que simplifica enormemente el proceso de preparación. Las ZIF-8 películas se preparan en una amplia gama de sustratos (cerámica, polímeros, metales, carbono y grafeno). La película 500 de ZIF-8 nm de espesor sobre un soporte de óxido de aluminio anódico (AAO) muestra un rendimiento atractivo de la separación. Una alta permeabilidad de2 H de 8.3 x 10-6 mol m-2 s-1 Pa-1 y selectividades ideal atractivo de 7.3 (H2/CO2) 15.5 (H2/n2), 16.2 (H2/CH4) y 2655 (H 2/c3H8) se logra.
El enfoque de cristalización que permite la mencionada hazaña es ENACT. ENACT depósitos ZIF-8 núcleos sobre un substrato directamente del sol de precursor del cristal. El enfoque utiliza EPD durante un período muy corto de tiempo (1-4 min) después del inducción (el tiempo cuando los núcleos aparecen en el sol precursor). La aplicación de un campo eléctrico a los núcleos cargados de MOF impulsa hacia un electrodo con un flujo que es proporcional a la fuerza de un aplicado campo eléctrico (E), la movilidad electroforética de coloide (μ) y la concentración de núcleos (Cn) como se muestra en las ecuaciones 1 y 2.
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/58301/58301eq1.jpg"> (Ecuación 1)
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/58301/58301eq2.jpg"> (Ecuación 2)
Aquí, v = la velocidad de deriva, Ζ = el potencial zeta de los núcleos, Εo = permitividad del vacío, Εr = la constante dieléctrica, y Η = viscosidad de la sol de precursor.
Por lo tanto, controlando E y el pH de la solución (que determina el ζ), se puede controlar la densidad de núcleos. El crecimiento subsecuente de los núcleos densamente poblado de la sol precursor permite a los investigadores obtener una película polycrystalline muy pegados.

<table><tbody><tr><td>Nitrato de zinc hexahidratado</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>96482-500G</td><td>98% de pureza</td></tr><tr><td>2-Metilimidazol</td><td>Sigma-Aldrich</td><td>M50850-500G</td><td>99% de pureza</td></tr><tr><td>Benzimidazol</td><td>TCI</td><td>B0054-500G</td> Cinta de <td>98% de pureza</td></tr><tr><td></td><td>DuPont</td><td>KPT-1/8</td><td></td></tr><tr><td>Epoxi</td><td>GC Electronics</td><td>19-823</td><td></td></tr><tr><td>Lámina de cobre</td><td>Alfa Aesar</td><td>13380.CV</td><td>99,9% de pureza</td></tr><tr><td>Fuente de alimentación para EPD</td><td>Gamry Instruments</td><td>Interface 1000E Potenciostato</td><td></td></tr><tr><td>Limpiador ultrasónico</td><td>MTI corporation</td><td>VGT-1860QTD</td><td></td></tr><tr><td>AAO</td><td>GE Healthcare Life Sciences&lrm;</td><td>6809-7013</td><td></td></tr><tr><td>PAN</td><td>Shandong MegaVision</td><td></td><td>El límite de peso molecular es de 100 kDa</td></tr></tbody></table>

electroforético cristalización de membranas ultrafinas marco metal-orgánico de alto rendimiento

Electrophoretic Crystallization of Ultrathin High-performance Metal-organic Framework Membranes

Divulgamos la síntesis de membranas de marco metal-orgánico (MOF) policristalino delgadas, muy pegados, sobre una amplia gama de soportes porosos y no porosos sin modificar (polímero, cerámica, metal, carbono y grafeno). Hemos desarrollado una técnica de cristalización de novela, que se denomina el enfoque ENACT: el conjunto de núcleos electroforético para la cristalización de películas delgadas muy pegadas (ENACT). Este enfoque permite una alta densidad de nucleación heterogénea de MOF en un sustrato solicitadas a través de la deposición electroforética (EPD) directamente desde el sol precursor. El crecimiento de núcleos MOF bien empaquetados conduce a una película MOF policristalinos muy pegados. Nos muestran que este enfoque simple puede utilizarse para la síntesis de zeolita fina, pegados imidazol marco (ZIF) -7 y ZIF-8 películas. Las membranas de ZIF-8 nm de espesor 500 resultantes muestran una considerablemente alta permeancia de2 H (8,3 x 10-6 mol m-2 s-1 Pa-1) y gas ideal selectividades (7.3 para H2/CO2, 15.5 para H2/n2, 16.2 para H2/CH4y 2655 H2/c3H8). También es un atractivo rendimiento de C3H6/c3H8 separación alcanzada (una C3H6 permeancia de 9.9 x 10-8 mol m-2 s-1 Pa-1 y C3H 6/c3H8 ideal selectividad de 31,6 a 25 ° C). En general, el proceso de ENACT, debido a su simplicidad, puede ampliarse para sintetizar películas delgadas pegadas de una amplia gama de materiales nanoporosos.

Un montaje casero de EPD se utilizó para sintetizar las películas MOF (figura 1). Análisis de imágenes de microscopía electrónica (SEM) y difracción de rayos x (DRX) obtuvieron los patrones para la película de núcleos de ZIF-8 (figura 2). SEM fue utilizado a la imagen de la morfología superficial y transversal de la apoyo AAO, ZIF-8/AAO membrana, ayuda de la cacerola, ZIF-8 PAN, ZIF-8/grafeno película y membrana de ZIF-7/AAO (<st...

Se presenta un enfoque simple, reproducible y versátil para la síntesis de membranas de marco metal-orgánico de policristalino pegados, en una amplia gama de poroso y soportes no porosos.

Electroforético cristalización de membranas ultrafinas marco Metal-orgánico de alto rendimiento

We report the synthesis of thin, highly intergrown, polycrystalline metal-organic framework (MOF) membranes on a wide range of unmodified porous and ...

Este método puede ayudar a responder a la pregunta clave en la síntesis de películas MOF policristalinas, como por ejemplo, cómo sintetizar membranas MOF de forma reproducible. La principal ventaja de esta técnica es que podemos controlar la nucleación heterogénea en una amplia gama de sustratos, lo que da lugar a películas MOF ultrafinas y sin agujeros. Con la ayuda de la ingeniería de cristales que implica nucleación y crecimiento controlados, nuestro objetivo es simplificar el protocolo de síntesis de las películas MOF.Primero corte una lámina de cobre de alta pureza en trozos de cuatro por cuatro centímetros. Para facilitar la sujeción de la lámina cortada con un juego de pinzas de cocodrilo de cobre, dibuje una línea de 0,5 centímetros de uno de los bordes de cada lámina cuadrada. A continuación, aplana cada lámina con un rodillo cilíndrico sobre una superficie limpia.Limpie a fondo las láminas de cobre mediante un baño de sonicación en acetona durante 15 minutos, seguido de un baño de sonicación en isopropanol durante 15 minutos. A continuación, seque las láminas de cobre en un plato de cristal. Coloque con cuidado el sustrato deseado en el centro del electrodo de cobre con cinta adhesiva.Enjuague el conjunto de electrodos de sustrato durante un minuto con agua, seguido de isopropanol y nuevamente con agua. Después de esto, conecte un electrodo de cobre desnudo a un ánodo. A continuación, fije el conjunto de electrodos de sustrato a un cátodo.Coloque los dos electrodos en un vaso de precipitados de vidrio de 100 mililitros y ajuste la separación entre ellos a un centímetro. Agregue 31,6 gramos de solución de hexahidrato de zinc y 35 gramos de solución de benzimidazol a un vaso de precipitados de 100 mililitros y revuelva durante 30 segundos a temperatura ambiente para formar el sol precursor. Transfiera el sol precursor al vaso de precipitados que contiene los electrodos.A continuación, sumerja ambos electrodos hasta la marca de 3,5 centímetros ajustando la altura del vaso de precipitados. Lleve a cabo la deposición electroforética con un voltaje de deposición de un voltio durante cuatro minutos encendiendo la alimentación de la fuente de alimentación. Al final de la deposición, baje el vaso lentamente para evitar perturbar la débil adherencia entre los núcleos recién depositados y el sustrato.Después de secar el sustrato, transfiéralo a un portaobjetos de vidrio microscópico con cinta adhesiva para mantener el sustrato en su lugar. Para el crecimiento de cristales, mezcle 31,6 gramos de solución de hexahidrato de zinc y 35 gramos de solución de 2-metilimidazol en un vaso de precipitados de 100 mililitros. Coloque el portaobjetos de vidrio microscópico con el sustrato verticalmente en la solución precursora y déjelo reposar durante 10 horas a 30 grados centígrados.Después de 10 horas de crecimiento de cristales, enjuague el sustrato con agua durante 30 minutos. A continuación, seque el sustrato en una atmósfera limpia. Para preparar bien el sellador, mezcle una proporción igual de epoxi y endurecedor y deje la mezcla durante una hora.Coloque la membrana ZIF-8 en un disco de acero de 24 milímetros de ancho con un orificio de cinco milímetros de diámetro en el centro. Aplique el epoxi a lo largo de los bordes del sustrato y posteriormente cubra el sustrato excepto el orificio de cinco milímetros de diámetro en el centro. Después de dejar que el epoxi se seque durante la noche, use un microscopio estereoscópico para escanear la membrana junto con la escala de referencia conocida.Utilice un software gráfico para calcular el área expuesta de la membrana a partir de la imagen escaneada. A continuación, coloque el disco de acero con la membrana en la celda de permeación de acero inoxidable y coloque la celda en un horno. Asegure un ajuste hermético colocando juntas tóricas de Viton por encima y por debajo del disco de acero y apretando los tornillos.Ajuste los caudales de gas en la alimentación y los lados de barrido a 30 mililitros por minuto. Para eliminar el agua absorbida durante la síntesis, caliente la celda de membrana utilizando hidrógeno como gas de alimentación y argón como gas de barrido a 130 grados centígrados durante dos horas. Mantenga una presión de 0,1 megapascales en el lado de alimentación y en el lado de barrido ajustando las válvulas de aguja en el lado de retenido y en el lado de permeado, respectivamente.Cambie el flujo de gas en el lado de alimentación al gas objetivo y ajuste el caudal de gas a 30 mililitros por minuto. Ajuste la temperatura del horno a la temperatura deseada. Luego calcule la permeancia en Excel una vez que se establece un estado estacionario de acuerdo con los datos del espectro de masas.Las imágenes SEM y los patrones XRD muestran que la película de los núcleos ZIF-8 es compacta y demuestra que el método ENACT es bastante eficiente en el control de la densidad de nucleación heterogénea sobre un sustrato. Después del crecimiento, la morfología de la película observada por SEM es compacta y sin agujeros de alfiler y parece estar altamente intercultivada. Aquí se muestran las morfologías superficiales y transversales del soporte AAO, la membrana ZIF-8/AAO, el soporte PAN y la membrana ZIF-8/PAN.Los datos de permanencia del gas de las membranas ZIF-8/AAO y ZIF-8/PAN muestran que su selectividad de hidrógeno propano es de 2700 y 190, respectivamente, lo que demuestra que la película MOF está casi libre de defectos. La membrana ZIF-8 / AAO muestra una permeabilidad de hidrógeno ultra alta debido al grosor ultra delgado. Al intentar este procedimiento, es importante esperar a que ocurra la inducción del cristal antes de aplicar la deposición electroforética.Por ejemplo, la inducción de cristales se puede ratificar estudiando el sol precursor en un microscopio electrónico de transmisión. Este protocolo permite controlar con precisión la densidad de nucleación heterogénea y el espesor de la película de los núcleos simplemente controlando el campo eléctrico y el tiempo de deposición electroforética y se puede extender para sintetizar películas policristalinas de varias estructuras. Después del desarrollo de esta técnica, allanó el camino para que realicemos estudios sistemáticos sobre la ingeniería de películas MOF de espesor inferior a 100 nanómetros.No olvide que trabajar con metilimidazol y nitrato de zinc puede ser peligroso y siempre se deben tomar precauciones como usar guantes y operar en una campana extractora mientras se realiza este procedimiento.

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Investigación

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Química

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Bicelles son mezclas de lípidos / anfifilo que mantienen las proteínas de membrana (MP) dentro de una bicapa lipídica, pero tienen un comportamiento de fase única que facilita la selección de alto rendimiento de los robots de cristalización. Esta técnica se ha producido con éxito una serie de alta resolución de estructuras de ambas fuentes procariotas y eucariotas. Este vídeo describe los protocolos para la generación de la mezcla lipídica bicelle, la incorporación de los diputados en la mezcla...

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Se proporciona un protocolo para la síntesis y caracterización de monocapas de estructura metal-orgánica autoensambladas utilizando cristales de estructura metal-orgánica (MOF) injertados en polímeros. El procedimiento muestra que las partículas de MOF injertadas en polímeros pueden autoensamblarse en una interfaz aire-agua, lo que da como resultado estructuras monocapa independientes y bien formadas, como lo demuestran las imágenes de microscopía electrónica de barrido.

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