מאמר שיטה

ייצור ממברנות מסגרת מתכת-אורגני ממורכבות במטריצה להפרדה מולקולרית

DOI:

10.3791/65454

⸱

6 בפברואר 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

במאמר זה

סיכום

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

כאן אנו מתארים פרוטוקול לייצור ממברנות מטריצות מעורבות (MMMs) על ידי שילוב מילויי מסננת מולקולרית סלקטיביים מאוד (כאן, MOFs) במטריצת הפולימר הקלה לעיבוד, שמציעה גישה מבטיחה לשילוב התכונות הטובות ביותר של שני החומרים ולייצור ממברנות היברידיות מתקדמות עם ביצועי הפרדה גזים יוצאי דופן.

תקציר

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

החיפוש אחר הפרדות חסכוניות באנרגיה הוא בעל חשיבות עליונה. הפרדה מבוססת ממברנה יכולה להקל על עונשי אנרגיה מופרזים הקשורים להפרדות. ממברנות מטריצות מעורבות (MMMs), המשלבות פולימרים קלים לעיבוד וסופגים סלקטיביים מאוד, מציעים פוטנציאל רב לתרגם תכונות מרשימות של הפרדת סופגים למטריצה הניתנת לעיבוד. כתב יד זה מתאר את המתודולוגיה המפורטת לייצור ממברנות MMMOF (מסגרת מתכת-אורגנית מעורבת במטריצה) ויישום שלהן בהפרדות תערובות גז חשובות ותעשייתית מאתגרת מאוד. ממברנת ה-MMMOF המכוונת יוצרה על פי שלושה קריטריונים חיוניים ומשולבים: (i) מילוי מסננת מולקולרית של MOF מחזיק בגודל וצורה אופטימליים של נקבוביות, פונקציונליות, ואינטראקציה בין מארח לאורח שאפשרו באופן סלקטיבי דיפוזיה של מולקולת הגז הרצויה על פני אחרות; (ii) שליטה מושלטת בסינתזה של מורפולוגיית גבישי MOF בכיוון קריסטלוגרפי מוגדר מראש לננו-גיליונות ביחס אספקה-גבוה שמבטיחה נגישות מרבית של ערוצים/נקבוביות ומשפרת את תאימות הממשק בין ננו-גיליונות לפולימר, המאפשרת טעינת ננו-גיליונות גבוהה; ו-(iii) הרכבה מבוקרת אפשרית (יישור במישור) של ננו-יריעות MOF במטריצת הפולימר, כדי לתרגם את תכונות הסינון המולקולריות הייחודיות של ננו-גיליונות MOF למטריצה הניתנת לעיבוד כצורה של ממברנת MMMOF. הממברנה הציגה הפרדה חסרת תקדים של מימן גופריתי ופחמן דו-חמצני מגז טבעי תחת לחץ וטמפרטורה גבוהים. השיטות שהצגנו כאן מחזיקות בפוטנציאל גבוה לפיתוח ממברנות בעלות ביצועים גבוהים שונים לטיפול בהפרדות תעשייתיות מרכזיות.

מבוא

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

הפרדות כימיות הן עתירות אנרגיה מאוד וצורכות כ-50% מהאנרגיה התעשייתית העולמית 1,2. תהליכי הפרדה מבוססי ממברנה יעילים מאוד באנרגיה בהשוואה לזיקוק קריוגני קונבנציונלי ו/או הפרדה סופגתית. ממברנות פולימריות טהורות סובלות בדרך כלל מהתנהגות פשרה (קשר בין חדירות לסלקטיביות) הידועה כגבול העליון של רובסון 3,4. ממברנות מטריצות מעורבות (MMMs), המשלבות את היתרונות של סופגים סלקטיביים (השפעות סינון מולקולריות ותכונות דיפוזיה משופרות של גזים) ופולימרים (עיבוד קל לתמיסה), נחשבים לסוכנים מפרידים לטכנולוגיות יעילות אנרגטית וברות קיימאסביבתית 5,6,7. עם זאת, תרגום יעיל של תכונות ההפרדה הייחודיות של הסופגים למטריצה הניתנת לעיבוד כסוג של ממברנות מטריצות מעורבות נותר אתגר משמעותי בשל הצטברות וסדימנטציה חמורה של מילויים בתוך מטריצת הפולימר ובעיית אי-התאמה בין מילוי למשקי פולימר. כתוצאה מאתגרים אלו, השגת ממברנות סלקטיביות מאוד נפגעת וכן התכונות המכאניות של הממברנה פוחתות8.

כדי להתמודד עם בעיית התאימות, סופג נקבובי הכולל חתיכות אורגניות מתאים לקידום הידבקות עם מטריצת הפולימר. מסגרות מתכת-אורגניות (MOFs), קבוצה ניתנת לכוונון של חומרים היברידיים במצב מוצק המורכבים מצמתים מתכתיים או אשכולות מתכת המתואמים לקישורים אורגניים רב-תכליתיים 9,10,11, צפויים להציע תאימות טובה יותר למטריצת הפולימר בניגוד לזאוליטים אנאורגניים טהורים12. ראוי לציין כי MOFs זכו לתשומת לב רבה כסופגים מצוינים להפרדת גזים סלקטיבית 13,14,15.

דווח על MMMs שונים המשתמשים במילויים איזוטרופיים או כמעט איזוטרופיים (למשל, ננו-חלקיקים). המילויים המשמשים בנוסף ל-MOFs כוללים זאוליטים, סיליקה מזופורית ומסגרות קוולנטיות-אורגניות (COFs)5,6,7. עם זאת, רק MMMs מוגבלים מציגים שיפור מקביל בסלקטיביות ובחדירות 16,17,18.

ברור שהכנסת מילויים עם מורפולוגיות לא איזוטרופיות כמו ננו-גיליונות עם יחס היבט-גובה גבוה היא חיונית לבניית MMMs19 בעלי ביצועים גבוהים. שטח הפנים החיצוני הגבוה יחסית ואורך הדיפוזיה המופחת של ננו-גיליונות מקדמים דיפוזיה גזית בכיוון עם הבחנה מולקולרית נשמרת, ומאפשרים עלייה משמעותית הן בחדירות והן בסלקטיביות. חשוב לציין כי שטחי הפנים החיצוניים הגבוהים של ננו-יריעות יאפשרו שיפור משמעותי בתאימות הממשק בין ננו-פולימר בהשוואה לננו-חלקיקים. ראוי לציין כי Cu-BDC 21,22,23 ו-NH2-MIL-53(Al)24 MOF ננו-גיליונות שימשו כמילויים ב-MMMs, אך באופן לא טיפוסי, ממברנות אלו הציגו שיפור סלקטיבי מתון על חשבון החדירה, מה שמדגיש את החשיבות החיונית של יישור נכון של ננו-גיליונות בתוך מטריצת הפולימר. בנוסף לייצור ננו-יריעות ביחס היבט-פנים גבוה של MOFs בעלי ביצועים גבוהים, חשוב לפתח מתודולוגיה מתאימה שיכולה להציע את היישור המרכזי במישור של ננו-גיליונות בתוך מטריצת הפולימר. במיוחד, החיפוש אחר פרוטוקול סינתטי חדש שיהפוך מבני MOF נבחרים לננו-גיליונות הוא בעל חשיבות עליונה, שכן מבני MOF נקבוביים רבים בעלי תכונות ספיחה ודיפוזיה ייחודיות25,26, אך הם אינם תואמים לשיטות הפילינג המסורתיות27.

בנוסף למורפולוגיית הננו-יריעות של ה-MOF וליישור נכון במישור של ננו-גיליונות MOF בתוך מטריצת הפולימר, הבחירה המובנת של מילוי MOF וזוג פולימרים היא גם פרמטר חשוב ביותר לבניית MMM בעל ביצועים גבוהים. יש לציין ששני המרכיבים הללו יכולים להיות בעלי חדירות פנימית וסלקטיביות שונות מאוד. לכן, אם MMM מיוצר באמצעות מילוי MOF בעל חדירות נמוכה יחסית עם פולימר חדיר גבוה, אז ל-MOF תהיה השפעה מינימלית על הפרדת הגז כי מולקולות גז צפויות יותר להתפזר/לחדור דרך שלב הפולימר. לעומת זאת, MOF עם חדירות גבוהה, ה-MMM המיוצר עם פולימר חדיר נמוך מאוד יוביל להפרדת גזים הנשלטת על ידי פולימר.

מאמר זה מתאר מושג ובנייה של מסגרת מתכת-אורגנית מעורבת (MMMOF) המבוססת על שלושה קריטריונים חיוניים: (i) AlFFIVE-1-Ni [NiAlF5(H2O)(pyr)2] כמילוי מסננת מולקולרית מתקדמת עם מבנה נקבובית מתאים שמקל על העברה/דיפוזיה של גזים ממוקדים (CO2 ו-H2S) תוך עיכוב דיפוזיה של גזים אחרים (פרק4 או מולקולה גדולה יותר); (ii) התאמת מורפולוגיית גבישי AlFFIVE-1-Ni MOF לאורך כיוון קריסטלוגרפי מוגדר כדי למקסם את החשיפה של מערכת הנקבוביות/התעלות (ננו-גיליונות בעלי יחס אספקט גבוה); (iii) יישור במישור של ננו-יריעות בתוך מטריצת הפולימר ותרגום תכונות ההפרדה/סינון המולקולריות המרשימות של ננו-גיליונות בדידים לממברנה מקרוסקופית רציפה28.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

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

1. הכנת ננו-יריעת AlFFIVE-1-Ni MOF מכוונת (001) (איור 1)

הערה: ניתן לסנתז ננו-יריעת AlFFIVE-1-Ni מכוונת (001) על ידי שילוב שתי תמיסות שונות המכילות קדם-מבנים (i) תמיסת מתכת וליגנד ו-(ii) תמיסה המכילה עמודים בתגובה סולותרמית28.

  1. הכינו תמיסת מתכת וליגנד על ידי המסה של 1.80 גרם פיראזין (22.03 מ"מ) ו-2.20 גרם ניקל אצטט טטרהידרט (8.84 מ"מ) ב-9 מ"ל של תערובת אתנול-H2O של 2:1 (v/v) באמצעות סוניקציה למשך 3 דקות.
  2. הכינו תמיסת עמוד [AlF5(H2O)]2- על ידי המסה של 0.32 גרם הידרוקסיד אלומיניום (4.10 מ"מ) ב-4 מ"ל של תערובת 3:1 (v/v) HF-H2O באמצעות סוניקציה למשך 2 דקות בטמפרטורת החדר (RT; 25 °C).
  3. מערבבים מתכת, ליגנד ועמודים המכילים תמיסות וסוניקו את התערובת למשך 3 דקות.
    הערה: תדר הסוניקציה בשלבים 1.1-1.3 הוא 20 קילוהרץ.
  4. לבצע תגובה סולותרמית בטמפרטורה של 50°C למשך 3 ימים במצב סטטי.
    הערה: תגובה סולבותרמית יכולה להתבצע בצינור קוני של 50 מ"ל בתנור מחומם מראש.
  5. אסוף ננו-גיליון MOF של AlFFIVE-1-Ni עם כוח צנטריפוגלי של 1789 x g למשך 5 דקות.
  6. שטפו את הננו-גיליון של MOF ב-300 מ"ל מים, ושטפו אותו ב-60 מ"ל אתנול.
  7. הכינו תמיסת ננו-יריעות AlFFIVE-1-Ni על ידי פיזור הננו-יריעת בכמות הנדרשת של כלורופורם והתאמת ריכוז הננו-גיליטה לכ-100 מ"ג תמיסת MOF/mL.
    הערה: כדי למנוע הצטברות, אין לייבש את הננו-שיט לפני הכנת הממברנה.
  8. הכינו ננו-חלקיקי AlFFIVE-1-Ni באמצעות 8.85 mmol של תמיסת עמוד [AlF5(H2O)]2- במקום 4.10 mmol [AlF5(H2O)]2- תמיסת עמוד28.

2. ייצור ממברנת מסגרת מתכת-אורגנית מעורבת (MMMOF) מוכוונת [001]

  1. השתמש בכלורופורם כמדיום מפזר ליישור ננו-גיליונות במישור בתוך מטריצת הפולימר (איור 2).
    הערה: למדיומים מפזרים יש תפקיד קריטי ביצירת ממברנה מעורבת ללא פגמים.
  2. לבצע שיטת יציקה בתמיסה לייצור ממברנות MMMOF מכוונות [001] בעוביים שונים.
  3. הכינו תמיסת פולימר על ידי המסה של 150 מ"ג פוליאימידים מיובשים (6FDA-DAM) ב-2 מ"ל כלורופורם על ידי ניעור על שייקר מכני למשך 3 שעות ב-RT.
  4. קח את כמות האליקוט הנדרשת מתמיסת ננו-גיליונות AlFFIVE-1-Ni (שלב 1.7). (למשל, 1.02 מ"ל עבור 40 משקל, 1.50 מ"ל ל-50% משקל, ו-2.25 מ"ל לממברנות של 60 משקל MMMOF) בבקבוקון זכוכית בנפח 25 מ"ל ומוסיפים כמות נדרשת של כלורופורם ליצירת נפח כולל של 2.5 מ"ל.
  5. הוסיפו את תמיסת הפולימר לתוך מתלי ה-MOF וערבבו את התערובת ב-150 סל"ד לפחות 150 דקות בטמפרטורה של 35 מעלות צלזיוס.
    הערה: תערובת זו של MOF ופולימר נקראת תמיסת דופ.
  6. שפכו את תמיסת הסמים לתוך צלחת פטרי מזכוכית או צלחת פוליטטראפלואורואתילן (PTFE) על משטח ישרו.
    הערה: צלחת פטרי מזכוכית או צלחת PTFE חייבת להיות מונחת בתיק כפפות רווי מראש באדי כלורופורם למשך לפחות 10 דקות.
  7. שמור את המנה המכילה תמיסת הסמים בשקית הכפפות ללילה בטמפרטורה של RT (25 מעלות צלזיוס).
  8. אפשר אידוי איטי של ממס כלורופורם כדי להרכיב את ננו-לוחות MOF בתוך מטריצת הפולימר (איור 3).
    הערה: יישור המישור במישור של ננו-גיליונות MOF מתבצע על ידי אידוי איטי של הממס במהלך הכנת הממברנה28.
  9. הסרת ממברנת MMMOF העצמאית [001] מהצלחת פטרי באמצעות מרית (איור 4).
  10. ייבשו את הממברנה בתנור ואקום בטמפרטורה של 200°C למשך 20 שעות כדי להסיר שאריות כלורופורם.
  11. מייצרים ננו-חלקיקי AlFFIVE-1-Ni המכילים ממברנת מטריצה מעורבת באותו תהליך (שלבים 2.1-2.10) אך משתמשים בננו-חלקיקי AlFFIVE-1-Ni במקום ננו-יריעות AlFFIVE-1-Ni.

3. אפיון ממברנות MMMOF המיווניות [001]

  1. השגת תמונת מיקרוסקופ אלקטרונים סורקת (SEM) של הממברנה כדי לאמת שהננו-גיליונות (001) מיושרים באופן אחיד במישור (איור 5A).
    הערה: לפני מדידת תמונת SEM, יש לשבור את הממברנה קריוגנית בחנקן נוזלי כדי לשמר את המיקרו-מבנים שלה. תמונות SEM התקבלו באמצעות Magellan 400-FEG הפועל במתח תאוצה של 1.5 kV וזרם פליטה של 13 pA.
  2. הערכת דיפרקציית קרני רנטגן (XRD) של הממברנה כדי לקבוע את הכיוון הקריסטלוגרפי של (001) ננו-יריעה במטריצת הפולימר (איור 5B).
    הערה: ממברנה מכוונת [001] אמורה להציג רק שתי עקיפות בראג עיקריות משני המישורים הקריסטלוגרפיים ([002], [004]) של מבנה AlFFIVE-1-Ni. איסוף הנתונים של XRD בוצע על דיפרקטומטר (Cu Kα = 1.54056 Å) בגאומטריית בראג-ברנטנו θ-θ עם ההגדרות הבאות: הספק הפעלה: 40 kV/40 mA; חריץ סטייה אוטומטית (אורך מוקרן = 0.6 מ"מ), מחזיק דגימה: מחזיק דגימות שטוח; טמפרטורה: RT; שיטה: שיטת ספירה רציפה (3° min-1); טווח 2: 4°-40°.
  3. בצע ניתוחי תמונות בקרן יונים ממוקדת (FIB-SEM) של הממברנה המכוונת כדי לאמת את האופי המיושר מאוד של ננו-גיליונות ואת המיקרו-מבנה הפנימי של הממברנה על שטח נרחב (איור 6).
    הערה: FIB-SEM היא טכניקת אפיון מצוינת לזיהוי תאימות בין ממשק MOF-פולימר.
    1. צרו תעלה ברוחב כ-35 מיקרון על פני השטח העליון של ממברנת MMMOF, וכיסו את השטח הנותר באמצעות פלטינה שהופקדה (איור 6A).
      1. ציפוי את הממברנה בציפוי של "אירידיום" ב-nm. לפני הטחינה, יש להניח שכבת הגנה של Pt (עובי 0.3-0.4 מיקרון) על אזורי העניין של הדגימה.
      2. לאחר מכן, השתמש בקרן היונים של גליום (Ga+) FIB הפועלת ב-5 קילו-וולט ו-75-100 pA כדי ליצור תעלה על פני השטח העליון של הממברנה.
    2. חתכו וחרטו את הממברנה בעובי מינימלי של 50 ננומטר על ידי ה-FIB, הפועל בכ-5 קילו-וולט ו-25 pA (איור 6B).
    3. אסוף בין 100 ל-300 מיקרוגרפים SEM בודדים של חתכי הרוחב העוקבים שנחשפו לעיבוד בטווח הגדלה של 12,000x-45,000x, עם גלאי אלקטרונים משני במתח~1 kV (איור 6C).
    4. יישר את ערימת התמונות לתכונה חיצונית על פני הממברנה באמצעות אלגוריתם קורלציה צולבת.
  4. נתח את השינויים היחסיים בצמיגות של ננו-יריעות - תליית פולימר (תמיסת דופ) ביחס לזמן הערבוב (איור 7).
    הערה: האפיון הראולוגי פשוט יחסית אך יעיל בהבהרת האינטראקציה המוגברת בין ננו-יריעות MOF לפולימרים.
  5. אסוף עקומות מאמץ-עיוות של ממברנות בעומסי MOF שונים וחשב את מודולוס יאנג ועיוות ההארכה מעקומות מאמץ-עיוות.
    הערה: ניתן להעריך את התכונות המכאניות של הממברנה באמצעות ניתוח מאמץ-עיוות.
  6. הערכת עומס הננו-יריעות של MOF בממברנה המכוונת באמצעות שיטת ניתוח תרמוגרבימטרי.
    1. ראשית, הפעל כ-10 מ"ג אבקת ננו-שיט תחתN2 עם ניקוי בטמפרטורה של 200°C למשך 135 דקות כדי להבטיח את ההפעלה.
    2. העלו את הטמפרטורה עד 800°C בקצב חימום של 10°C·min−1 תחת זרימתO 2 ושמרו על הטמפרטורה ב-800°C למשך 2 שעות. השוו את מסת תחמוצת המתכת השארית למסה המופעלת ההתחלתית של MOF28.
    3. השתמשו באותו פרוטוקול (שלבים 3.6.1 ו-3.6.2) עבור ממברנות ננו-יריעות MOF כדי לקבוע את עומס ה-OF.
      הערה: מהמסה השארית של תחמוצת המתכת לאחר חימום בטמפרטורה של 800°C למשך שעתיים בסביבהשל O 2 , ניתן לקבוע את תכולת ננו-יריעות MOF בממברנה.

4. הערכת תכונות ההפרדה של גז יחיד וגז מעורב של ממברנות מכוונות

  1. הערכו מדידות חדירות גז בודד/טהור באמצעות שיטה ביתית בלחץ משתנה ונפח קבוע28.
    הערה: תנאי חדירת גז בודדים בדרך כלל בלחץ הזנה של 35 מעלות צלזיוס ולחץ הזנה של 2 בר עבור He,H 2, CO2, O2, N 2, CH4, C2H4, C2H6, C3H6, ו-C3H8. נעשה שימוש במכשיר הפרדה ביתי לגז. עיין בעבודה שפורסמהקודם לכן 28 לפרטים על ההגדרה.
    1. חתוך את הממברנה באמצעות אגרוף מכני לצורת עיגול/מטבע בגודל של כ-2 ס"מ2 .
    2. התקן את הממברנה על תא החדירה, כסווה אותו עם דבק אלומיניום, ואטום אותו עם שרפי אפוקסי.
      הערה: יש לבצע את איטום הממברנה באמצעות שרף אפוקסי בזהירות כדי למנוע חורים לא רצויים.
    3. שמור על אזור נבחר של הממברנה חשוף לחדירת גז.
    4. מדוד את השטח הנגיש של הממברנה לחדירת גז באמצעות סורק ומדד את עובי הממברנה באמצעות מד עומק.
    5. פנו את מערכת החדירות בטמפרטורה של 35 מעלות צלזיוס למשך 12 שעות לפני ביצוע בדיקת חדירה.
      הערה: שלב זה מסייע להסיר כל לחות שנספגה במהלך איטום הממברנה.
    6. הזן את הגז בלחץ של 2 בר (לחץ מעלה הזרם) והמתין 20 דקות כדי לאזן את טמפרטורת מערכת החדירה.
    7. מחשבים את חדירות הגז היחיד באמצעות שיפוע לחץ הזרם לעומת הזמן (dp/dt) במצב יציב באמצעות המשוואה הבאה:
      figure-protocol-1 figure-protocol-2(1)
      הערה: P מתייחס לחדירות הגז של ממברנה בברר (1 ברר = 10-10 ס"מ3(STP)·ס"מ-2·שניות-1·ס"מ כספית-1), V הוא נפח התא במורד הזרם (ס"מ3), l הוא עובי הממברנה (ס"מ), p0 הוא לחץ הזרם העליון (cmHg), A מתייחס לשטח האפקטיבי של הממברנה (ס"מ2), R הוא קבוע הגז (0.278 ס"מ3 ס"מ כספית ס"מ-3(STP) K-1), T הוא טמפרטורת הפעולה (K).
    8. קבל את הסלקטיביות האידיאלית (SA/B) של גז A לגז B באמצעות המשוואה הבאה:
      figure-protocol-3(2)
      הערה: PA ו-PB מציינים את חדירות הגזים A ו-B, בהתאמה.
  2. העריך מדידות חדירות גז מעורב.
    1. השתמשו בתערובת הגז הבינארית (CO2/CH4:10/90; 20/80 ו-50/50) ו/או תערובת גזים משולשת (H2S/CO2/CH4:1/9/90; 18/2/80 ו-5/5/90) לבדיקות הפרדה בגז מעורב.
    2. השתמש בציוד חד-גזי מותאם למדידת חדירות גז מעורב, שחייב להיות משולב עם כרומטוגרפיית מיקרו-גז (Agilent 490 Micro-GC)28.
      הערה: לחץ ההזנה בגז מעורב יכול להשתנות בין 2-30 בר וטמפרטורה של 25-100 מעלות צלזיוס.
    3. שמרו על חיתוך הבמה (יחס קצב הזרימה בין פרמיאט להזנה) מתחת ל-1%.
      הערה: ניתן לעקוף את קיטוב ריכוז הגזים בצד העליון של הממברנה בדרך זו, והוא גם ישמור על כוח ההנעה הקבוע על פני הממברנה במהלך מחקר חדירת הגז.
    4. אפשר לתערובת הגז לחדור דרך הממברנה עד שמגיעים לקצב חדירות במצב יציב, בדרך כלל מעל 5 הפסקות.
    5. פנו את תערובת הפרמיאט ואז אספו את תערובת הגז בתנאים יציבים.
    6. מדלל את הגז החודר בגז He ומנתח את תערובת הגז עם Micro-GC.
    7. חשב את חדירות הגז המעורב של רכיב i (Pi) באמצעות המשוואה הבאה.
      figure-protocol-4(3)
      הערה: y ו-x הם שברי המול בחדירה ובהזנה, בהתאמה, ו-p0 הוא לחץ ההזנה של הרכיב i.
    8. נתח את הסלקטיביות של גזים מעורבים (Si/j) באמצעות יחס החדירות של שני רכיבים, i ו-j.
      figure-protocol-5(4)

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

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

מילויי ננו-יריעות מכוונים (איור 1) מחזיקים באופן מהותי במספר יתרונות ב-MMMs לעומת ננו-חלקיקים. שטח הפנים החיצוני הגדול יחסית ומרחק הדיפוזיה המופחת של ננו-גיליונות מקדמים דיפוזיה גזית עם הבחנה מולקולרית נשמרת (איור 2). שטח הפנים החיצוני הגדול יחסית של ננו-יריעות לעומת חלקיקים מחזק את התאימות לממשק ננו-פולימר, ומאפשר עומס גבוה של ננו-גיליעים/מילוי. שמנו לב שעומס מילוי גבוה מאוד אפשרי (50-60% משקל) באמצעות מורפולוגיית ננו-יריעות עם...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

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

הסינתזה של ננו-גיליונות MOF מכוונים עם יחס אספקט-רוחב גבוה היא אתגר יוצא דופן. בניגוד ליישומים אחרים, ננו-גיליונות MOF להפרדת גזים חייבים להיות מסונתזים ללא חומר סורפקאטנט ו/או תבנית כדי למנוע חומר לא רצוי על פני שטח של ננו-יריעות MOF. בנוסף, יש לכוון את ערוץ/נקבוביות הננו-יריעות מחוץ לכיוון המישור כדי לקדם דיפוזיה כיוונית של גזים. לכל מבנה MOF יש מנגנון צמיחת גבישי שונה, ולכן אותו תהליך סינתזה לא יכול לחול על כל סינתזת ננו-גיליונות MOF. עבור MOF מסוים, יש לפתח ולאופטימיזציה של תהליך סינ...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

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

למחברים אין מה לחשוף.

תודות

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

מחקר זה נתמך על ידי אוניברסיטת המלך עבדאללה למדע וטכנולוגיה (KAUST). S.J.D. ו-M.E. מכירים בתמיכת KAUST.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
הידרוקסיד אלומיניום (III)אלדריץ'1330-44-5
ברוקר D8 אדוונסברוקרNAדיפרקטומטר קרני רנטגן 
CAP-2000+ ויסקומטראמטק ברוקפילדNAאפיון ריאולוגי
כלורופורם (99.8%)סיגמא-אלדריץ'67-66-3
CO2/CH4 : 50/50, 20/80, 10/90 ו-H2S/CO2/CH4 = 1/9/90, 18/2/80, 5/5/90 נוזל אוויר ו-AHGNA
דיכלורומתאן (99.9%)סיגמא-אלדריץ'75-09-2
אתנול (99.7%)VWR64-17-5
H2 (99.999%), N2 (99.999%), CO2 (99.999%), CH4 (99.999%), C3H6 (99.5%), C3H8 (99.5%) נוזל אוויר ו-AHGNA
מיקרוסקופ Helios G4 UX DualBeamתרמופישרNAFIB-SEM 
כלי הפרדה ביתיים להפרדת גזיםNANAראו רפרנס 28 לפרטים על ההגדרה
חומצה הידרופלואורית (48% משקל במים)סיגמא-אלדריץ'7664-39-3
מגלן 400-FEGתרמופישרNASEM images 
ניקל (II) אצטט טטרהידרט (99%)אורגניים6018-89-9
פוליאימיד 6FDA-DAM (Mw = 330 kDa, PDI: 2.48)Akron Polymer Systems, Inc.NA
פיראזין (99%)אלדריץ'290-37-9
אנלייזר TA Q-5000TA אינסטרומנטסNATGA 
טטרהידרופורן (99%)סיגמא-אלדריץ'109-99-9

מקורות

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

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

MOF

מאמרים קשורים