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Le separazioni chimiche sono altamente intensive in termini di energia e consumano circa il 50% dell'energia industriale globale 1,2. I processi di separazione a membrana sono altamente efficienti dal punto di vista energetico rispetto alla distillazione criogenica e/o alla separazione adsorbitiva convenzionale. Le membrane polimeriche pure soffrono comunemente di un comportamento di compromesso (una relazione tra permeabilità e selettività) noto come limite superioredi Robeson 3,4. Le membrane a matrice mista (MMM), che combinano i benefici degli adsorbenti selettivi (effetti di setacciatura molecolare e proprietà di diffusione del gas potenziate) e dei polimeri (facile processabilità della soluzione), sono considerate agenti che separano le prospettive verso tecnologie energeticamente efficienti e ambientalmentesostenibili 5,6,7. Tuttavia, la traduzione efficace delle proprietà distinte di separazione degli adsorbenti nella matrice processabile come forma di membrane a matrice mista rimane una sfida significativa a causa della grave agglomerazione e sedimentazione dei riempitivi all'interno della matrice polimerica e del problema di incompatibilità tra riempitivo e interfaccia polimerica. A causa di queste difficoltà, il raggiungimento di membrane altamente selettive è ostacolato e le proprietà meccaniche della membrana sono diminuitedi gran lunga.
Per risolvere il problema di compatibilità, un adsorbente poroso composto da parti organiche è adatto a promuovere l'adesione con la matrice polimerica. I framework metallo-organici (MOF), una classe di materiali ibridi a stato solido sintonizzabili costituiti da nodi metallici o cluster metallici coordinati con collegamenti organicimultifunzionali 9,10,11, dovrebbero offrire una migliore compatibilità con la matrice polimerica rispetto alle zeoliti inorganichepure 12. Va notato che i MOF hanno ricevuto notevole attenzione come eccellenti adsorbenti per la separazione selettiva dei gas 13,14,15.
Sono stati segnalati vari MMM che utilizzano riempitivi isotropi o quasi isotropi (ad esempio, nanoparticelle). I riempitivi utilizzati oltre ai MOF includono zeoliti, silice mesoporosa e strutture covalenti-organiche (COFs)5,6,7. Tuttavia, solo un limitato MMM mostra un miglioramento concorrente della selettività edella permeabilità 16,17,18.
Evidentemente, introdurre riempitivi con morfologie non isotrope come nanofogli con alto rapporto d'aspetto è essenziale per la costruzione di MMMad alte prestazioni 19. La superficie esterna relativamente elevata e la riduzione della lunghezza di diffusione dei micropori dei nanofogli promuovono direzionalmente la diffusione del gas con una discriminazione molecolare preservata, consentendo un notevole aumento sia della permeabilità che dellaselettività 20. È importante sottolineare che le elevate superfici esterne dei nanofogli rappresenterebbero un miglioramento significativo della compatibilità dell'interfaccia nanosheet-polimero rispetto alle nanoparticelle. Va notato che i nanofogli MOF di Cu-BDC21,22,23 e NH2-MIL-53(Al)24 sono stati utilizzati come riempitivi nelle MMM; in modo atipico, queste membrane hanno mostrato un miglioramento moderato della selettività a scapito della permeabilità, evidenziando l'importanza vitale di un corretto allineamento dei nanofogli all'interno della matrice polimerica. Oltre alla produzione di nanosheet ad alto rapporto d'aspetto di MOF ad alte prestazioni, è essenziale sviluppare una metodologia adeguata che possa offrire l'allineamento chiave in piano dei nanofogli all'interno della matrice polimerica. In particolare, la ricerca di un nuovo protocollo sintetico per rendere le strutture MOF selezionate come nanofogli è di primaria importanza, poiché molte strutture MOF a pori contratti possiedono proprietà uniche di adsorbimento ediffusione 25,26, ma non sono compatibili con i metodi convenzionalidi esfoliazione 27.
Oltre alla morfologia dei nanofogli del MOF e al corretto allineamento in piano dei nanofogli MOF all'interno della matrice polimerica, la selezione giudiziosa del riempitivo MOF e della coppia polimerica è anche un parametro estremamente importante per costruire un MMM ad alte prestazioni. Va notato che questi due costituenti possono avere permeabilità e selettività intrinseche molto diverse. Quindi, se un MMM è fabbricato utilizzando un riempitivo MOF relativamente permeabile con un polimero ad alta permeabilità, allora il MOF avrà un impatto minimo sulla separazione dei gas perché le molecole di gas diffuderanno o permeeranno più facilmente attraverso la fase polimerica. Al contrario, un MOF con alta permeabilità, tuttavia, il MMM fabbricato con polimero a bassissima permeabilità porterà alla separazione dei gas dominata dal polimero.
Questo manoscritto descrive un concetto e la costruzione di una membrana a struttura metallica-organica a matrice mista orientata (MMMOF) basata su tre criteri essenziali: (i) AlFFIVE-1-Ni [NiAlF5(H2O)(pyr)2] come riempitivo avanzato per setaccio molecolare con una struttura porale adeguata che facilita il trasporto/diffusione di gas mirati (CO2 e H2S) impedendo al contempo la diffusione di altri gas (CH4 o molecole più grandi); (ii) adattare la morfologia cristallina MOF di AlFFIVE-1-Ni lungo una direzione cristallografica definita per massimizzare l'esposizione del sistema poro/canale (nanolamine ad alto rapporto d'aspetto); (iii) allineamento in piano dei nanofogli all'interno della matrice polimerica e traduzione delle straordinarie proprietà di separazione/setacciamento dei nanofogli discreti in una membrana macroscopicacontinua 28.