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

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.