Name: מדידת מוליכות פרוטונים בממברנות מטריצה מעורבות מבוססות MOF באמצעות ספקטרוסקופיית אימפדנס אלקטרוכימית (וידאו) | JoVE Journal
Uploaded: 2026-06-16T13:05:00.000+00:00
Duration: 6 min 28 s
Description: חקור מדידת מוליכות פרוטונים בממברנות מטריצה מעורבות מבוססות MOF באמצעות ספקטרוסקופיית אימפדנס אלקטרוכימית. שיטה זו מאפשרת הערכה מדויקת של מוליכות בתנאי טמפרטורה ולחות מבוקרים.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

playerTrialDesktop

הצהרת אתיקה
מחקר זה לא כלל נבדקים אנושיים, בעלי חיים או חומרים ביולוגיים מוסדרים. כל הניסויים השתמשו בטכניקות סטנדרטיות לסינתזה כימית ואפיון חומרים.
1. סינתזה של MIP-207-SO3H
הערה: הסינתזה של MIP-207-SO3H מתבצעת לפי הפרוטוקולים שדווחו קודם לכן על ידי Wang ואחרים 27 וננדי ואח'14. איור סכמטי של תהליך הסינתזה מוצגת באיור 1.
<ol>
	<li>הניחו מוט ערבוב מגנטי בבקבוק תחתית עגול בנפח 50 מ"ל והוסיפו 1,3,5-בנזן-טריקרבוקסילית (588 מ"ג, 2.40 מ"מ) וחומצה 3-איזופתלית 5-LiSO (5-LiSO3-IPA, 303 מ"ג, 1.21 מ"מ) לבקבוק. זהירות: במכסה אדים, הוסף 10 מ"ל אנידריד אצטי לבקבוק וערבב בטמפרטורה של 25 מעלות צלזיוס למשך 5 דקות עד שהוא הומוגני. לאחר מכן מוסיפים 10 מ"ל חומצה אצטית קרחונית, ואחר כך מוסיפים טיפה של טיטניום (IV) איזופרופוקסיד (Ti(iPrO)4, 800 מיקרוליטר, 2.70 מ"מ) תחת ערבוב. אנהידריד/חומצה אצטית ואלקוקסיד Ti הם קורוזיביים, מגרדים, רגישים ללחות ודליקים; תתרחק ממקורות הצתה.</li>
	<li>התקן את הבקבוק עם מעבה רפלוקס, חמם את תערובת התגובה לריפלוקס, וודא שהריפלוקס נשמר במשך 24 שעות תחת ערבוב רציף.</li>
	<li>לאחר סיום התגובה, אפשר לתערובת להתקרר לטמפרטורת החדר, ואז לבודד את התוצר המוצק המתקבל באמצעות צנטריפוגה. צנטריפוגה את התערובת במהירות מתאימה בהתאם לגודל החלקיקים, בדרך כלל סביב ~27,000 x g.</li>
	<li>שטפו את המוצק שנאסף שלוש פעמים עם אצטון רותח כדי להסיר את כל המקשרים שלא הגיבו, ואז ייבשו על ספסל באוויר כפי שנדרש לאפיון או לייצור ממברנה לאחר מכן.</li>
	<li>אסוף תבנית PXRD של אבקת MOF מיובשת. אימות מבנה וטוהר ה-MOF על ידי שכבת ה-PXRD שנאסף עם תבנית MIP-207-SO3H המדווחת/המדומה. ניתן גם לבצע ספקטרוסקופיית אינפרא-אדום בטרנספורמציה פורייה (FTIR) וניתוח תרמוגרבימטריה (TGA) כדי לאמת את איכות ה-MOF (קישור חופשי, פגמים וכו').</li>
</ol>
<img alt="איור 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/71248/71248fig1v1.jpg" data-altupdatedat="1784005267000" data-alt="Figure 1"> 
איור 1: איור סכמטי של הליך סינתזה MIP-207-SO3H. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/71248/71248fig1large.jpg" target="_blank">אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.</a>
2. הכנת ממברנות מטריצות מעורבות
<ol>
	<li>פזר אבקת PVA (10% רוחב/מערב) במים דה-יוניים וחמם ברציפות (90 מעלות צלזיוס) עד שמתקבלת תמיסה שקופה והומוגנית.</li>
	<li>להכנת ממברנת המטריצה המעורבת, יש לפזר את הכמות הנדרשת של MIP-207-SO3H במים דה-יוניים.</li>
	<li>סוניקט את התמיסה באמצעות גלאי אולטרסוניקציה (10% משרעת למשך 5 דקות) כדי לקבל מתלה MOF אחיד. כוון את משך הסוניקציה בהתאם לאופי ה-MOF. הערה: אישור נוסף של איכות הפיזור ניתן לחקור באמצעות ניתוח גודל חלקיקים באמצעות פיזור אור דינמי (DLS) או באמצעות תצפיות מורפולוגיות באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM).</li>
	<li>הוסיפו את תמיסת ה-PVA המומסת בזרם הנפילה למתלה MIP-207-SO3H המפוזר מראש במשך שעה אחת תחת ערבוב רציף וערבבו עד שהפיזור נראה אחיד מבחינה ויזואלית (ללא אגרגטים נראים לעין או הפרדת פאזה). כוון את כמות תמיסת ה-PVA כדי לקבל ריכוז סופי של 7% ברוחב/שבוע.</li>
	<li>יצוק את תמיסות PVA–MIP-207-SO3H על לוחות זכוכית נקיים באמצעות אפליקטור סרט ליצירת סרטים רטובים בעובי מוגדר (למשל, 1 מ"מ). עובי הממברנה ניתן לבחור בהתאם לריכוז ולויסקוזיות של תמיסת הפולימר, בדרך כלל נע בין כ-10 מיקרומולר ליותר מ-200 מיקרומולר בשכבה היבשה.</li>
	<li>ייבשו את הסרטים היצוקים בתנאים סביבתיים מתחת למכסה המנוע עד להשלמת אידוי הממס, ואז קילפו את הממברנות מהלוחות הזכוכית כדי לקבל ממברנות PVA ו-PVA/MIP-207-SO3H גמישות, צפופות ושקופות. איור סכמטי של ייצור ממברנת מטריצה מעורבת (MMM) מוצגת באיור 2.</li>
	<li>הכינו ממברנת בקרה ל-PVA בלבד ללא MIP-207-SO3H תוך שימוש באותו תהליך ייצור כדי לקבוע את תרומת מטריצת הפולימר הטהור להולכת הפרוטונים.</li>
</ol>
<img alt="איור 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/71248/71248fig2v1.jpg" data-altupdatedat="1784005267000" data-alt="Figure 2"> 
איור 2: איור סכמטי של ייצור ממברנות PVA ו-PVA/MIP-207-SO3H באמצעות שיטת יציקת התמיסה. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/71248/71248fig2large.jpg" target="_blank">אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.</a>
3. מדידת מוליכות פרוטונים
<ol>
	<li>חתכו את דגימות הממברנה המיוצרות לפי גאומטריית תא המדידה במישור (למשל, 2 ס"מ x 2 ס"מ).</li>
	<li>מדדו את ממדי הדגימה ועוביהם במספר מיקומים באמצעות מיקרומטר, ואז מחשבים ורשמו את העובי הממוצע (t) (ראו איור 3, שלב 2). הערה: מומלץ לבצע לפחות שלוש מדידות עובי מדויקות בקרבת מרכז הממברנה.</li>
	<li>הרכיבו את תא המוליכות על ידי מיקום הממברנה בין שתי אלקטרודות עם שטח מגע גיאומטרי ידוע, A, ואז סנדוויץ' את ההרכבה בין שני תאי טפלון והדקו בעדינות עם ברגים ואומים משושים כדי להבטיח מגע אינטרפנים טוב. תהליך שלבי של הרכבת תא המוליכות של הממברנה מוצג באיור 3.</li>
	<li>הניחו את תאי הטפלון המורכבים בתוך תא לחות אקלימי, שמחובר ישירות לפוטנציוסטט ומכוון לתנאי הטמפרטורה והיחסון היחסי הרצויים.</li>
	<li>תכנתו ישירות את נקודות הטמפרטורה והיחסון היחסי (לעיתים נעות בין 30°C ל-90°C בהתאם למערכת ומגבירים את RH מ-60% ל-95%) בתא לחות מתוכנת. זה ישתנה אוטומטית עם הזמן ללא התערבות ידנית.</li>
	<li>חבר את תא ההולכה במישור לפוטנציוסטט המצויד באנלייזר תדר ומניח את ההגדרה בתנאי טמפרטורה/יחסי יחסית שנבחרו. זהירות: אפשר לממברנה להתאזן במשך שעה לפני המדידה.</li>
	<li>הגדר טווח תדרים באמצעות תוכנת EIS, מ-1 MHz עד 1 Hz עם לפחות שתי מדידות לתדר, הגדר את משרעת ההפרעה AC ל-20 mV, ואז התחל את המדידה ותיעוד ספקטרום ההתנגדות לניתוח הבא.</li>
	<li>שמור את ספקטרום ההתנגדות לניתוח נוסף לאחר סיום המדידה. איור סכמטי של מערכת מדידת מוליכות הפרוטונים במישור מסופק באיור 4 כדי להקל על המחשה של תצורת הניסוי.</li>
	<li>לאחר מכן מכבים את תא הלחות ומאפשרים לו להתקרר במשך שעה עד שהטמפרטורה יורדת מתחת ל-30 מעלות צלזיוס. הוצא את תאי המדידה מתא הלחות, פירק, וודא שהממברנה נשארת שלמה מבחינה מכנית ללא שחיקה נראית לעין בתנאים בהם מדידת מוליכות הפרוטונים.</li>
	<li>ייבשו את הממברנה ואחסנו אותה בשקית פלסטיק ייעודית לניתוח נוסף (למשל, PXRD, בדיקות מכניות וכו') כדי לאמת תכונות מבניות ומכאניות לאחר מדידות ההולכה.</li>
	<li>כדי לנתח את תוצאות ה-EIS, נקבעת התנגדות הממברנה מתוך גרפים של נייקוויסט (−Im(Z) לעומת Re(Z)). ההתנגדות ניתנת לקריאה כחיתוך בין חצי המעגל בתדרים גבוהים לציר הממשי. ניתן גם לקרוא את ההתנגדות מתוך תרשים בודה (log(|Z|) לעומת התדר). הוא תואם לקואורדינטה בקרע המדרון.</li>
	<li>חשב את מוליכות הפרוטונים, σ(S/cm), מההתנגדות הממברלית הנמדדת באמצעות Eq-1. השתמש ב-L (בס"מ) כמרחק בין האלקטרודות (המוגדר על ידי ההתקנה), ב-R (Ω) כהתנגדות הממברנה המתקבלת מספקטרוסקופיית התנגדות, וב-A (ס"מ2) כשטח חתך הממברנה הנושא זרם במישור (A מוגדר כמכפלה בין רוחב הממברנה, w, לעובי T). הערה: ניתן ליצור גרפים של מוליכות פרוטונים, σ (S·cm-1), לעומת טמפרטורה באמצעות כל כלי ניתוח נתונים זמין. 
	<img alt="משוואה 1" src="/files/ftp_upload/71248/71248eq1.jpg" style="margin:auto;" data-altupdatedat="1784005267000" data-alt="Equation 1"></li>
	<li>בנו גרף ארהניוס על ידי ציור In(σ) מול 1/T (או 1000/T, כאשר T בקלוין) כדי להפיק את אנרגיית ההפעלה, Ea, מההתאמה הליניארית (Eq-2) ולהחליט האם העברת פרוטון מתרחשת באמצעות מנגנון רכב (Ea &gt; 0.5 eV) או קפיצה (Ea &lt; 0.4 eV).</li>
	<li>השתמש ב-σ (S.cm-1) כמוליכות הפרוטונים הנמדדת, A כגורם הפרה-אקספוננציאלי, Ea כאנרגיית ההפעלה (eV), kB כקבוע בולצמן = 8.62 × 10-5 eV K-1, ו-T כטמפרטורה. 
	<img alt="משוואה 2" src="/files/ftp_upload/71248/71248eq2.jpg" style="margin:auto;" data-altupdatedat="1784005267000" data-alt="Equation 2"></li>
</ol>
<img alt="איור 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/71248/71248fig3v1.jpg" data-altupdatedat="1784005267000" data-alt="Figure 3"> 
איור 3: תא דו-אלקטרודי לתאי מדידת מוליכות פרוטונים במישור, המציג את התצורה הפנימית (שלב 1), מיקום הממברנה (שלב 2) והתצורה המורכבת (שלב 3). הסולם המוצג מציין את הממדים הפיזיים של חלק הממברנה ששימש בתאי המדידה. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/71248/71248fig3large.jpg" target="_blank">אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.</a>
<img alt="איור 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/71248/71248fig4v1.jpg" data-altupdatedat="1784005267000" data-alt="Figure 4"> 
איור 4: סכמטיקה של מערכת מדידת מוליכות הפרוטונים במישור בתנאי טמפרטורה ולחות מבוקרים, המציגה את מכלול הממברנה, תצורת האלקטרודות והקשר לתחנת העבודה האלקטרוכימית. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/71248/71248fig4large.jpg" target="_blank">אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.</a>

<ol>
	<li>Ahmad S, Nawaz T, Ali A, Orhan MF, Samreen A, Kannan AM. An overview of proton exchange membranes for fuel cells: Materials and manufacturing. Int J Hydrogen Energy. 2022;47(44):19086&#8211;19131. doi: 10.1016/j.ijhydene.2022.04.099</li>
	<li>Abdin Z, Zafaranloo A, Rafiee A, M&#233;rida W, Lipi&#324;ski W, Khalilpour KR. Hydrogen as an energy vector. Renew Sustain Energy Rev. 2020;120. doi:10.1016/j.rser.2019.109620</li>
	<li>Alaswad A, Palumbo A, Dassisti M, Olabi AG. Fuel cell technologies, applications, and state of the art. A reference guide. Ref Modul Mater Sci Mater Eng. 2016. doi:10.1016/B978-0-12-803581-8.04009-1</li>
	<li>Ong AL, Bottino A, Capannelli G, Comite A. Effect of preparative parameters on the characteristic of poly (vinylidene fluoride)-based microporous layer for proton exchange membrane fuel cells. J Power Sources. 2008;183(1):62&#8211;68. doi:10.1016/j.jpowsour.2008.04.064</li>
	<li>Song C. Fuel processing for low-temperature and high-temperature fuel cells: Challenges and opportunities for sustainable development in the 21st century. Catal Today. 2002;77(1&#8211;2):17&#8211;49. doi:10.1016/S0920-5861(02)00231-6</li>
	<li>Liu Q, Lan F, Chen J, Zeng C, Wang J. A review of proton exchange membrane fuel cell water management: Membrane electrode assembly. J Power Sources. 2022;517. doi:10.1016/j.jpowsour.2021.230723</li>
	<li>Liu YR, Chen YY, Zhuang Q, Li G. Recent advances in MOFs-based proton exchange membranes. Coord Chem Rev. 2022;471. doi:10.1016/j.ccr.2022.214740</li>
	<li>Mauritz KA, Moore RB. State of understanding of Nafion. Chem Rev. 2004;104(10):4535&#8211;4585. doi:10.1021/cr0207123</li>
	<li>Ahmad Kamaroddin MF, et al. Membrane-based electrolysis for hydrogen production: A review. Membranes. 2021;11(11). doi:10.3390/membranes11110810</li>
	<li>Sadakiyo M, Yamada T, Kitagawa H. Rational designs for highly proton-conductive metal-organic frameworks. J Am Chem Soc. 2009;131(29):9906&#8211;9907. doi:10.1021/ja9040016</li>
	<li>Kim S, Dawson KW, Gelfand BS, Taylor JM, Shimizu GKH. Enhancing proton conduction in a metal-organic framework by isomorphous ligand replacement. J Am Chem Soc. 2013;135(3):963&#8211;966. doi:10.1021/ja310675x</li>
	<li>Sadakiyo M, Yamada T, Kitagawa H. Proton conductivity control by ion substitution in a highly proton-conductive metal-organic framework. J Am Chem Soc. 2014;136(38):13166&#8211;13169. doi:10.1021/ja507634v</li>
	<li>Rao Z, Tang B, Wu P. Proton conductivity of proton exchange membrane synergistically promoted by different functionalized metal-organic frameworks. ACS Appl Mater Interfaces. 2017;9(27):22597&#8211;22603. doi:10.1021/acsami.7b05969</li>
	<li>Nandi S, et al. Multivariate sulfonic-based titanium metal-organic frameworks as super-protonic conductors. ACS Appl Mater Interfaces. 2021;13(17):20194&#8211;20200. doi:10.1021/acsami.1c03644</li>
	<li>Taylor JM, Dekura S, Ikeda R, Kitagawa H. Defect control to enhance proton conductivity in a metal-organic framework. Chem Mater. 2015;27(7):2286&#8211;2289. doi: 10.1021/acs.chemmater.5b00665</li>
	<li>Zhang X, Liu Y, Wang M, Liu H, Mu Y, Fo Y. Using structurally defective UiO-66 to construct effective proton conduction path in proton exchange membranes. Int J Hydrogen Energy. 2026; 216:153968. doi: 10.1016/j.ijhydene.2026.153968</li>
	<li>Ponomareva VG, Kovalenko KA, Chupakhin AP, Dybtsev DN, Shutova ES, Fedin VP. Imparting high proton conductivity to a metal-organic framework material by controlled acid impregnation. J Am Chem Soc. 2012;134(38):15640&#8211;15643. doi:10.1021/ja305587n</li>
	<li>Wahiduzzaman M, et al. A high proton conductive hydrogen-sulfate decorated titanium carboxylate metal-organic framework. ACS Sustain Chem Eng. 2019;7(6):5776&#8211;5783. doi:10.1021/acssuschemeng.8b05306</li>
	<li>Wang S, et al. A robust zirconium amino acid metal-organic framework for proton conduction. Nat Commun. 2018;9(1). doi:10.1038/s41467-018-07414-4</li>
	<li>Yeskendir B, Dacquin JP, Lorgouilloux Y, Courtois C, Royer S, Dhainaut J. From metal-organic framework powders to shaped solids: Recent developments and challenges. Mater Adv. 2021;2(22):7139&#8211;7186. doi:10.1039/d1ma00630d</li>
	<li>Zhou Y, et al. Facilitating the proton conductivity of polyvinyl alcohol-based proton exchange membrane by phytic acid encapsulated Zn-azolate MOF. Process Saf Environ Prot. 2023; 172:48&#8211;56. doi: 10.1016/j.psep.2023.01.072</li>
	<li>Abouricha S, et al. Biopolymers-based proton exchange membranes for fuel cell applications: A comprehensive review. ChemElectroChem. 2024;11(9). doi:10.1002/celc.202300648</li>
	<li>Staszczyk K, Tylingo R. Bio-based proton exchange membranes from chitosan: A review of progress and challenges. Energy Fuels. 2025;39(28):13242&#8211;13259. doi: 10.1021/acs.energyfuels.5c01969</li>
	<li>Wang H, et al. Proton-conducting poly-&#947;-glutamic acid nanofiber embedded sulfonated poly (ether sulfone) for proton exchange membranes. ACS Appl Mater Interfaces. 2019;11(24):21865&#8211;21873. doi:10.1021/acsami.9b01200</li>
	<li>Erkartal M, Usta H, Citir M, Sen U. Proton conducting poly (vinyl alcohol)/poly (2-acrylamido-2-methylpropane sulfonic acid)/zeolitic imidazolate framework ternary composite membrane. J Membr Sci. 2016; 499:156&#8211;163. doi: 10.1016/j.memsci.2015.10.032</li>
	<li>Heimerdinger P, Rosin A, Danzer MA, Gerdes T. A novel method for humidity-dependent through-plane impedance measurement for proton conducting polymer membranes. Membranes. 2019;9(5). doi:10.3390/membranes9050062</li>
	<li>Wang S, et al. Toward a rational design of titanium metal-organic frameworks. Matter. 2020;2(2):440&#8211;450. doi: 10.1016/j.matt.2019.11.002</li>
	<li>Yu S, Li C, Zhao S, Chai M, Hou J, Lin R. Recent advances in the interfacial engineering of MOF-based mixed matrix membranes for gas separation. Nanoscale. 2024;16(16):7716&#8211;7733. doi:10.1039/d4nr00096j</li>
	<li>Lee CH, Park HB, Lee YM, Lee RD. Importance of proton conductivity measurement in polymer electrolyte membrane for fuel cell application. Ind Eng Chem Res. 2005;44(20):7617&#8211;7626. doi:10.1021/ie0501172</li>
	<li>Huang J, et al. Achieving excellent proton conductivity and power density by introducing stable nitrogen-rich carbonized metal-organic frameworks into high-temperature proton exchange membranes. J Mater Chem A. 2025;13(23):17393&#8211;17403. doi:10.1039/d5ta01261a</li>
	<li>Liu Q, et al. Metal-organic frameworks modified proton exchange membranes for fuel cells. Front Chem. 2020;8. doi:10.3389/fchem.2020.00694</li>
	<li>Zhang C, et al. Disentangling heat and moisture effects on biopolymer mechanics. Macromolecules. 2020;53(5):1527&#8211;1535. doi: 10.1021/acs.macromol.9b01988</li>
</ol>

<table><tbody><tr><td>&nbsp;ציוד</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>צנטריפוגה</td><td>Thermo Fisher Scientific</td><td>Sorvall LYNX 6000</td><td>בידוד מוצק לאחר סינתזה.</td></tr><tr><td>תא לחות אקלימי</td><td>Memmert</td><td>HCP50</td><td>התאמת לחות וטמפרטורה למדידת מוליכות פרוטון</td></tr><tr><td>מרחיב סרט</td><td>Elcometer Limited</td><td>מרחי סרט 4340</td><td>שליטה בעובי סרט רטוב במהלך יציקה.</td></tr><tr><td>צלחות זכוכית</td><td>שונים</td><td>לא חל</td><td>תשתית יציקה.</td></tr><tr><td>מערבל מגנטי עם צלחת חימום + מוטות ערבול</td><td>שונים</td><td>לא חל</td><td>ערבול וחימום במהלך סינתזה והכנת פולימר</td></tr><tr><td>מיקרומטר</td><td>Mitutoyo</td><td>Quantumike</td><td>מדידת עובי ממברנה (ממוצע מנקודות מרובות).</td></tr><tr><td>כלי מעבדה אחרים</td><td>שונים</td><td>לא חל</td><td>מרית, קולט אדים, פיפטות/מזרקים לתוספת כימית, וכדומה</td></tr><tr><td>פוטנציוסטט&nbsp;</td><td>Biologic</td><td>VSP-3e</td><td>למדידת EIS</td></tr><tr><td>תאי PTFE (טפלון), ברגים, אומים משושים</td><td>Equilabrium</td><td>BT-112</td><td>הידוק מכני להבטחת קשר אלקטרודה טוב.</td></tr><tr><td>מכשיר PXRD</td><td>Bruker</td><td>D8 Advance</td><td>לבדיקת פאזה/גבישיות של אבקת MOF.</td></tr><tr><td>גלאי רפלוקס</td><td>שונים</td><td>לא חל</td><td>שמירה על טמפרטורת תגובה במהלך סינתזת MOF</td></tr><tr><td>בקבוק בסיס עגול</td><td>שונים</td><td>לא חל</td><td>כלי תגובה לסינתזת MOF והמסת פולימר</td></tr><tr><td>גלאי אולטראסאונד</td><td>Branson</td><td>Ultrasonic Sonifier SFX550</td><td>פיזור MOF במים לפני ערבוב עם PVA.</td></tr><tr><td>גלאי אולטראסאונד</td><td>Branson</td><td>Ultrasonic Sonifier SFX550</td><td>פיזור MOF במים לפני ערבוב עם PVA.</td></tr><tr><td>מרחיב סרט</td><td>Elcometer Limited</td><td>מרחי סרט 4340</td><td>שליטה בעובי סרט רטוב במהלך יציקה</td></tr><tr><td>צלחות זכוכית</td><td>שונים</td><td>לא חל</td><td>תשתית יציקה</td></tr><tr><td>מיקרומטר</td><td>Mitutoyo</td><td>Quantumike</td><td>מדידת עובי ממברנה (ממוצע מנקודות מרובות)</td></tr><tr><td>כלי מעבדה אחרים</td><td>שונים</td><td>לא חל</td><td>מרית, קולט אדים, פיפטות/מזרקים לתוספת כימית, וכדומה</td></tr><tr><td>כימיקלים</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>1,3,5-בנזנטריקרבוקסילית חומצה</td><td>Thermo Scientific</td><td>A15947.18</td><td>מקשר אורגני של MOF</td></tr><tr><td>מלח ליתיום חומצת סולפואיזופתלית 5-</td><td>Thermo Scientific</td><td>A18028.36 (95%)</td><td>מקור מקשר סולפוני המשמש להכנסת אתרים חומציים.</td></tr><tr><td>אנהידריד אצטי</td><td>Thermo Scientific</td><td>149490010 (99+%,)</td><td>משמש בתערובת סינתזה</td></tr><tr><td>טיטניום (IV) איזופרופוקסיד&nbsp;</td><td>Sigma Aldrich</td><td>205273 ((97%)</td><td>מקדם טיטניום המשמש להיווצרות Ti-MOF</td></tr><tr><td>אצטון</td><td>Carlo Erba</td><td>002100DD14150</td><td>משמש לשטיפות רתיחה/הפעלה</td></tr><tr><td>פולי (ויניל אלכוהול) (PVA)&nbsp;</td><td>Alfa Aesar</td><td>ALF-041243-14</td><td>מטריצת פולימר לממברנות</td></tr></tbody></table>

מדידת מוליכות פרוטונים בממברנות מטריצה מעורבות מבוססות mof באמצעות ספקטרוסקופיית אימפדנס אלקטרוכימית

Measuring Proton Conductivity in MOF-Based Mixed Matrix Membranes by Electrochemical Impedance Spectroscopy

איור 5 A ו-B מייצגים את האיור המבני ודיפרקטוגרמות PXRD (CuKα) עבור הדפוס המדומה המסונתז MIP-207-(SO3H-IPA)x(BTC)1−x (x=0.28) ו-MIP-207, המחושב מקובץ המידע הקריסטלוגרפי (CIF) שדווח במחקר המקורי על ידי Wang ואח'27. ההתאמה הקרובה במיקומים של ההשתקפויות האופייניות הללו של בראג, ובמיוחד השיאים הדומיננטיים בזווית נמוכה ב-2θ ≈ 5.0° ו-2θ ≈-12-13°, מאשר שהנגזרת הסולפונית נשארת איזוסטרוקטורלית עם MIP-207. בנוסף, ניתן לראות את שיאי MIP-207-SO3H המזוהמים הללו בממברנה המורכבת המעובדת, מה שמעיד על שילוב מוצלח של ה-MOF המוליך פרוטונים במטריצת PVA. מבנה MOF לא אמור להיות מושפע במהלך ייצור ממברנה, וממברנות פגומות (עם חללים פנימיים או הצטברות חלקיקי MOF חזקה) עלולות גם הן להציג דפוסי PXRD איכותיים. לכן, נדרש ניתוח נוסף של הממברנות באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM). יתרה מזאת, לפני מדידת EIS יש לאמת את שלמות הממברנה לאחר חשיפה ללחות יחסית גבוהה.
<img alt="איור 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/71248/71248fig5v1.jpg" data-altupdatedat="1784005267000" data-alt="Figure 5"> 
איור 5: (A) מבנה הגביש של MIP-207(Ti): (שמאל למעלה) יחידת אשכול Ti–oxo אינאורגנית; (למטה שמאל) חומצה טריקרבוקסילית בנזן (BTC) או מקשר איזופתלית עם 5 תחליפי (IPA מוחלף), האטום הורוד מייצג את קבוצות הפונקציונליות –COOH ו–SO3H, Ti מוצג בכחול, C באפור, קבוצות אצטט בירוק, ו-O באדום); (מימין) מסגרת תלת-ממדית מורחבת עם תעלות נקבוביות מחזוריות, (B) המבנה הכימי של PVA, ו-(C) תבנית PXRD ניסיונית (CuKα) של MIP-207-SO3H, דפוס MIP-207 מדומה, PVA, ו-PVA/MIP-207-SO3H. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/71248/71248fig5large.jpg" target="_blank">אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.</a>
גרף נייקוויסט ומוליכות הפרוטונים של PVA טהור (ללא MOF) ו-PVA/MIP-207-SO3H שהוערכו על ידי EIS מעל 30-60 °C ב-95% RH מוצגים באיור 6 A ו-B. גרפים של נייקוויסט עבור ממברנת PVA/MIP-207-SO3H מראים הפחתה של חצי המעגל עם עלייה בטמפרטורה (ראו איור 6 A), מה שמעיד על ירידה בהתנגדות נפחית. איור 6 B מראה עלייה מונוטונית במוליכות הפרוטונים עם הטמפרטורה של שתי הממברנות. מגמה זו מצביעה על התנהגות הובלת פרוטונים המופעלת תרמית, התואמת את ביצועי הממברנה הצפויים. תוצאה מוצלחת מאופיינת בחצי מעגל שלם בגרף נייקוויסט עם יירוט ברור בתדר גבוה המייצג התנגדות לממברנה. סטיות כמו קשתות בצורות לא סדירות או גרפים אסימטריים מאוד עשויות להצביע על בעיות ניסוי, כולל מגע לקוי בין ממברנה לאלקטרודה, הידרציה לא מספקת של ממברנה, הרכבת ממברנה-אלקטרודה לא תקינה, או חיבורי פוטנציוסטט פגומים. הממברנה המורכבת, PVA/MIP-207-SO3H, בעלת מוליכות פרוטונים של 7.4 x 10-4 S·cm-1 לעומת PVA טהור עם מוליכות של 3.1 x 10-4 S·cm-1, שהיא גבוהה ב-140% ב-60°C ו-RH של 95%. העמידות לטווח ארוך תחת הפעלה רציפה לא הוערכה במחקר זה ונותרה היבט חשוב למחקרים עתידיים.
<img alt="איור 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/71248/71248fig6.jpg" data-altupdatedat="1784005267000" data-alt="Figure 6"> 
איור 6: (א) נייקוויסט מתארים (התנגדות דמיונית (-Z") מול התנגדות אמיתית (Z') של ממברנת PVA/MIP-207-SO3H שנמדדה ב-95% RH (30-60 °C), ו-(B) מוליכות פרוטונים (S/cm) כפונקציה של טמפרטורה עבור ממברנות PVA חשופות ו-PVA/MIP-207-SO3H. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/71248/71248fig6large.jpg" target="_blank">אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.</a>
גרפים של Arrhenius של In(σ) לעומת 1000/T (95% RH, 30-60 °C) מראים התאמות ליניאריות עבור ממברנות PVA טהורות ו-PVA/MIP-207-SO3H (ראו איור 7). תרשים ארנהיוס כאן מתואר כ-ln(σ) לעומת 1000/T, שהוא שקול מתמטית לגרף ln(σ) מול 1/T אך מספק סולם x נוח יותר לוויזואליזציה של נתונים ולחילוץ אנרגיית ההפעלה. הקומפוזיט מציג אנרגיית הפעלה של Ea = 0.65 eV, בעוד ש-PVA חשוף מכיל Ea = 0.46 eV. בסך הכול, ערכים אלו מצביעים על כך שהובילת פרוטונים מתרחשת דרך מנגנון הובלת פרוטונים בעיקר רכבי עבור הממברנה המורכבת, בעוד שגם מנגנוני הרכב וגם מנגנוני קפיצה מתרחשים בממברנת ה-PVA הטהורה. תוצאות אלו מאשרות כי הפרוטוקול מאפשר חילוץ אמין של אנרגיית הפעלה וזיהוי מנגנוני העברת פרוטונים. תוצאות ניסוי לא יעילות מאופיינות בגרפים לא ליניאריים של ארנהיוס עם פיזור משמעותי וערכי מקדם קביעה (R2) נמוכים, מה שמרמז שמודלים חלופיים כמו משוואת ווגל-טמן-פולכר (VTF) עשויים להתאים יותר לתיאור התנהגויות מוליכות תלויות בטמפרטורה. בנוסף, אנרגיות הפעלה גבוהות באופן חריג (Ea &gt; 1.0 eV) או ערכי מוליכות מתחת ל-10-6 S/cm מעידים על פיזור MOF ירוד, הידרציה לא מספקת, או מסלולים מוליכים פרוטונים לא רציפים.
<img alt="איור 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/71248/71248fig7v1.jpg" data-altupdatedat="1784005267000" data-alt="Figure 7"> 
איור 7: גרפים של ארנהיוס: In(σ) לעומת 1000/T עבור PVA חשוףו-PVA/MIP-207-SO 3 H שנמדדו ב-95% RH (30-60 °C); סמלים הם נתונים ניסיוניים וקווים מקווקו הם התאמות ליניאריות המשמשות להפקת אנרגיית ההפעלה. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/71248/71248fig7large.jpg" target="_blank">אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.</a>

מדידת מוליכות פרוטונים בממברנות מטריצה מעורבות מבוססות MOF באמצעות ספקטרוסקופיית אימפדנס אלקטרוכימית

This protocol describes a reproducible method to measure the in-plane proton conductivity of metal-organic framework (MOF)/polymer mixed-matrix membranes ...

measuring-proton-conductivity-mof-based-mixed-matrix-membranes

Research

JoVE Journal

Chemistry

כימיה

שדה חשמלי חיצוני משרה מתח על הממברנה של התא, כינה את מתח קרום מושרה (ΔΦ). באמצעות צבע פוטנציומטרית di-8-ANEPPS, אפשר למדוד את ΔΦ noninvasively. וידאו זה מציג את הפרוטוקול למדידת ΔΦ באמצעות di-8-ANEPPS.

מדידת מתח ממברנה מושרה עם Di-8-ANEPPS

אלקטרודות יון סלקטיבית כל מצב מוצק (ASSISEs) הבנויות ממתמר פולימר מוליך (CP) לספק כמה חודשים של חיים תפקודי בתקשורת נוזלית. כאן, אנו מתארים את תהליך הייצור וכיול של ASSISEs בפורמט מעבדה על שבב. ASSISE הוא הוכיח ששמר על פרופיל מדרון קרוב Nernstian לאחר אחסון ממושך בתקשורת הביולוגית מורכבת.

Biochip Multi-אנליטי (MAB) על בסיס אלקטרודות יון-All-סלקטיבית של מצב מוצק (ASSISE) למחקר הפיזיולוגי

כאן אנו מציגים שיטת אלקטרו מבוססת על ממברנות נתמכות מוצקות עם דגש על היישומים שלה לאפיון של המובילים בממברנה electrogenic.

מבוא לממברנה מוצקה נתמכות המבוססת Electrophysiology

אנו מתארים את הגישות לייצור מכשירים ואפיון חשמלי של ננו-מבנים מוליכים למחצה בשכבת מוליבדן דיסלניד (MoSe2) בעוביים שונים. בנוסף, מתואר ייצור מגעים אוהמיים עבור ננו-גבישים דו-שכבתיים של MoSe בשיטת שקיעת קרן יונים ממוקדת באמצעות פלטינה (Pt) כמתכת מגע.

ייצור לתקשר ohmic בטכניקה ממוקד-אלומת יונים וחשמל אפיון לשכבת מבני ננו מוליך למחצה

הפרוטוקול עבור קיטוב ריכוז יון רומן (ICP) פלטפורמה שיכולה לעצור את ההתפשטות של אזור ICP, ללא תלות בתנאי ההפעלה מתוארת. יכולת הייחודית זו של הפלטפורמה נמצאת בשימוש של התמזגות דלדול יון והעשרה, שהן שני קטבים של תופעת ICP.

מיזוג קיטוב ריכוז יון בין חופפי Ion Exchange ממברנות כדי לחסום את ההתפשטות של אזור הקיטוב

עכבה אלקטרוכימי ספקטרוסקופיה (EIS) של מינים עוברים חמצון הפיך או הפחתת בפתרון שימש לקביעת קבועי קצב של חמצון או הפחתה.

עכבה אלקטרוכימי ספקטרוסקופיה ככלי הערכה מתמדת קצב אלקטרוכימי

גישה פשוטה, הדירים רב-תכליתי לסינתזה של ממברנות מסגרת מתכת-אורגנית polycrystalline intergrown, על מגוון רחב של יאומתו נקבובי ותומך שאינו נקבובי מוצג.

התגבשות electrophoretic של ממברנות זגוגית ביצועים גבוהים מסגרת מתכת-אורגני

ב מדידות אלקטרופיזיולוגיות, הנוכחות של דיפוזיה פוטנציאליים מפריע את המידה המדויקת של הפוטנציאל הפוכה על ידי שינוי האלקטרודה פוטנציאליים. באמצעות גשר המלח מיקרו-אגר, ההשפעה של פעפוע פוטנציאליים ממוזער, מה שמאפשר מדידה מדויקת יותר של המצע מספרים תחלופה של חלבוני ממברנה רקומביננטי משוקם.

אלקטרודה מיקרו-אגר מלח גשר ניתוח שיעור תחלופה פרוטון של חלבוני ממברנה רקומביננטי

כאן, אנו מציגים פרוטוקול ללמוד את המנגנון המולקולרי של פרוטון רוברטסונית על פני הממברנות השומנים של ליפוזומים יחיד, ציטוכרום בו3  כדוגמא. שילוב אלקטרוכימיה, מיקרוסקופיה פלורסצנטיות, pH לשינויים לומן של שלפוחית אחת, המכילה יחיד או אנזים מרובים, ועוזרת שנותחו בנפרד.

ליפוזום יחיד מדידות לצורך המחקר של משאבות פרוטונים אנזימים ממברנה בעזרת מיקרוסקופ פלואורסצנטי אלקטרוכימיה

נחיתה רכה של יונים שנבחרו המוניים על גבי משטחים היא גישה רבת עוצמה לעריכה לשליטה מאוד של חומרים חדשים. בשילוב עם ניתוח על ידי בספקטרומטריית האתר משנית המונית יון (SIMS) וספקטרוסקופיה קליטת השתקפות אינפרא אדום (IRRAS), נחיתה רכה מספקת תובנות חסרות תקדים לתוך האינטראקציות של מינים מוגדרים היטב עם משטחים.

בSIMS אתרו וIR ספקטרוסקופיה של משטחים מוגדרים היטב הוכן על ידי רכה נחיתה של יונים המוניים שנבחרו

חקור מדידת מוליכות פרוטונים בממברנות מטריצה מעורבות מבוססות MOF באמצעות ספקטרוסקופיית אימפדנס אלקטרוכימית. שיטה זו מאפשרת הערכה מדויקת של מוליכות בתנאי טמפרטורה ולחות מבוקרים.

מדידת מוליכות פרוטונים בממברנות מטריצה מעורבות מבוססות MOF באמצעות ספקטרוסקופיית אימפדנס אלקטרוכימית

גלה סרטונים נוספים