Articolo metodologico

Fabbricazione di membrane orientate a matrice mista metallo-organica per la separazione molecolare

DOI:

10.3791/65454

6 febbraio 2026

In questo articolo

Sommario

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

Qui descriviamo un protocollo per la fabbricazione di membrane a matrice mista (MMM) integrando riempitivi molecolari altamente selettivi (qui, MOF) nella matrice polimerica facilmente processabile, che offre un approccio promettente per combinare le migliori proprietà di entrambi i materiali e fabbricare membrane ibride avanzate con prestazioni eccezionali di separazione dei gas.

Abstract

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La ricerca di separazioni a basso consumo energetico è di primaria importanza. La separazione a membrana può alleviare le eccessive penalità energetiche associate alle separazioni. Le membrane a matrice mista (MMM), che combinano polimeri facilmente processabili e adsorbenti altamente selettivi, offrono un grande potenziale per tradurre straordinarie proprietà di separazione degli adsorbenti nella matrice processabile. Questo manoscritto descrive la metodologia dettagliata per la fabbricazione di membrane a matrice mista orientata metallo-organico (MMMOF) e la loro successiva applicazione in varie separazioni di miscele gassese di grande importanza industriale e altamente complesse. La membrana orientata MMMOF è stata fabbricata basandosi su tre criteri essenziali e interconnessi: (i) un riempitivo molecolare di crivello MOF possiede dimensioni e forma ottimali dei pori, funzionalità e interazione ospite-ospite che facilitano selettivamente la diffusione della molecola di gas desiderata rispetto ad altre; (ii) un controllo di sintesi padroneggiato della morfologia cristallina MOF in una direzione cristallografica predefinita in nanofogli ad alto rapporto d'aspetto che garantiscano la massima accessibilità di canali/pori e migliorino la compatibilità tra nanofogli e polimeri, consentendo un elevato carico di nanosheet; e (iii) un possibile assemblaggio controllato (allineamento in piano) di nanofogli MOF nella matrice polimerica per tradurre le proprietà di crivellatura molecolare distintive dei nanofogli MOF nella matrice processabile come forma di membrana MMMOF. La membrana mostrava una separazione senza pari tra idrogeno solfuro e anidride carbonica dal gas naturale ad alta pressione e alta temperatura. I metodi che abbiamo presentato qui hanno un alto potenziale per lo sviluppo di varie membrane ad alte prestazioni per affrontare le principali separazioni industriali.

Introduzione

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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.

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Protocollo

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

1. Preparazione del nanofoglio MOF AlFFIVE-1-Ni orientato (001) (Figura 1)

NOTA: (001) un nanofoglio orientato AlFFIVE-1-Ni può essere sintetizzato combinando due diverse soluzioni contenenti precursori: (i) soluzione metallica e di ligando e (ii) soluzione contenente pilastri sotto reazionesolvotermica 28.

  1. Prepara la soluzione di metallo e ligando sciogliendo 1,80 g di pirazina (22,03 mmol) e 2,20 g di tetraidrato di acetato di nichel (8,84 mmol) in 9 mL di miscela 2:1 (v/v) etanolo-H2Otramite sonicazione per 3 minuti.
  2. Preparare la soluzione di pilastri [AlF 5(H 2O)] dissolvendo 0,32 g di idrossido di alluminio (4,10 mmol) in 4 mL di miscela 3:1 (v/v)HF-H 2O tramite sonicazione per 2 minuti a temperatura ambiente (RT; 25 °C).
  3. Combina metallo, ligando e pilastri contenenti soluzioni e sonica la miscela per 3 minuti.
    NOTA: La frequenza di sonicazione per i passaggi 1.1-1.3 è di 20 kHz.
  4. Eseguire la reazione solvotermica a 50 °C per 3 giorni in condizioni statiche.
    NOTA: La reazione solvotermica può essere eseguita in un tubo conico da 50 mL in un forno preriscaldato.
  5. Raccogli il nanofoglio MOF di AlFFIVE-1-Ni con una forza centrifuga di 1789 x g per 5 minuti.
  6. Lavare il nanofoglio MOF con 300 mL d'acqua e lavarlo con 60 mL di etanolo.
  7. Prepara la soluzione di nanofoglio AlFFIVE-1-Ni disperdendo il nanofoglio nella quantità richiesta di cloroformio e regolando la concentrazione di nanofoglio a circa 100 mg di soluzione MOF/mL.
    NOTA: Per prevenire l'agglomerazione, non asciugare il nanofoglio prima della preparazione della membrana.
  8. Preparare nanoparticelle AlFFIVE-1-Ni utilizzando 8,85 mmol di soluzione pilastra [AlF 5(H 2O)]2- invece di 4,10 mmol [AlF 5(H2O)]2 soluzione pilastra28.

2. Fabbricazione di membrana MMMOF (MMMOF) orientata a [001]

  1. Utilizzare il cloroformio come mezzo dispersante per l'allineamento in piano delle nanolastre all'interno della matrice polimerica (Figura 2).
    NOTA: I mezzi dispersanti hanno un ruolo critico nella fabbricazione di una membrana a matrice mista senza difetti.
  2. Eseguire il metodo di colata a soluzione per fabbricare membrane MMMOF orientate a [001] con spessori diversi.
  3. Prepara la soluzione polimerica sciogliendo 150 mg di poliimidi essiccati (6FDA-DAM) in 2 mL di cloroformio scuotendo su uno shaker meccanico per 3 ore a RT.
  4. Prendere la quantità richiesta di aliquota dalla soluzione stock AlFFIVE-1-Ni nanosheet (passo 1.7). (ad esempio, 1,02 mL per il 40 peso e 1,50 mL per il 50% in peso e 2,25 mL per membrane MMMOF al 60 peso in peso) in una fiala di vetro da 25 mL e aggiungere la quantità necessaria di cloroformio per ottenere un volume totale di 2,5 mL.
  5. Aggiungi la soluzione polimerica a goccia nella sospensione MOF e mescola la miscela a 150 giri/min per almeno 150 minuti a 35 °C.
    NOTA: Questa miscela MOF e polimerica si chiama soluzione di droga.
  6. Versare la soluzione di droga in una piastra di vetro di Petri o in una piastra di politetrafluoroetilene (PTFE) su una superficie livellata.
    NOTA: La piastra di vetro di Petri o la piastra PTFE deve essere posta in una sacca portaoggetti pre-satura di vapore di cloroformio per almeno 10 minuti.
  7. Tieni il piatto contenente soluzione di droga nel guanti-guanti per la notte a RT (25 °C).
  8. Consentire l'evaporazione lenta del solvente di cloroformio per autoassemblare i nanofogli MOF all'interno della matrice polimerica (Figura 3).
    NOTA: L'allineamento in piano dei nanofogli MOF avviene tramite la lenta evaporazione del solvente durante la preparazione dellamembrana 28.
  9. Spegca la membrana MMMOF orientata a [001] indipendente dalla piastra di Petri usando una spatola (Figura 4).
  10. Asciuga la membrana in un forno a vuoto a 200 °C per 20 ore per rimuovere eventuali residui di cloroformio.
  11. Fabbricare nanoparticelle AlFFIVE-1-Ni contenenti membrana a matrice mista utilizzando la stessa procedura (passaggi 2.1-2.10) ma utilizzando nanoparticelle AlFFIVE-1-Ni invece delle nanofeste AlFFIVE-1-Ni.

3. Caratterizzazione delle membrane MMMOF orientate a [001]

  1. Ottieni l'immagine della microscopia elettronica a scansione a sezione trasversale (SEM) della membrana per confermare che i nanofogli (001) sono uniformmente allineati nel piano (Figura 5A).
    NOTA: Prima della misurazione dell'immagine SEM, la membrana dovrebbe essere criogenicamente fratturata in azoto liquido per preservarne le microstrutture. Le immagini SEM sono state ottenute utilizzando Magellan 400-FEG operante a una tensione di accelerazione di 1,5 kV e una corrente di emissione di 13 pA.
  2. Valutare la diffrazione dei raggi X (XRD) della membrana per accertare l'orientamento cristallografico del nanofoglio (001) nella matrice polimerica (Figura 5B).
    NOTA: La membrana orientata a [001] dovrebbe mostrare solo due principali diffrazioni di Bragg dai due piani cristallografici ([002], [004]) della struttura AlFFIVE-1-Ni. La raccolta dati XRD veniva effettuata su un diffrattometro (Cu Kα = 1,54056 Å) in geometria θ-θ di Bragg-Brentano con le seguenti impostazioni: potenza operativa: 40 kV/40 mA; fessura automatica di divergenza (lunghezza irradiata = 0,6 mm), portacampioni: portacampioni piatto; temperatura: RT; Metodo: metodo del conteggio continuo (3° min-1); 2 Portata: 4°-40°.
  3. Eseguire analisi immagini a fascio di ioni focalizzato (FIB-SEM) della membrana orientata per verificare la natura altamente allineata dei nanofogli e la microstruttura interna della membrana su un'area estesa (Figura 6).
    NOTA: FIB-SEM è un'eccellente tecnica di caratterizzazione per identificare la compatibilità tra interfacce MOF-polimero.
    1. Creare una trincea larga circa 35 μm sulla superficie superiore della membrana MMMOF e mascherare l'area residua con il platino depositato (Figura 6A).
      1. Ricopro la membrana con un nm di iridio. Prima della macinazione, depositare uno strato protettivo di Pt (spessore 0,3-0,4 μm) sulle aree di interesse del campione.
      2. Successivamente, si utilizza la FIB a fascio ionico di gallio (Ga+) che lavora a 5 kV e 75-100 pA per creare una trincea sulla superficie superiore della membrana.
    2. Tagliare e fresare la membrana con uno spessore minimo di 50 nm tramite la FIB, operando a circa 5 kV e 25 pA (Figura 6B).
    3. Raccogliere tra 100 e 300 micrografie SEM individuali delle sezioni d'urto consecutive sottoposte a fresatura a un intervallo di ingrandimento di 12.000x-45.000x, con un rivelatore secondario di elettroni a ~1 kV (Figura 6C).
    4. Allinea lo stacking delle immagini a una caratteristica esterna sulla superficie della membrana utilizzando un algoritmo di correlazione incrociata.
  4. Analizzare le variazioni relative di viscosità delle sospensioni di nanofogli e polimeri (soluzione di droga) rispetto al tempo di agitazione (Figura 7).
    NOTA: La caratterizzazione reologica è piuttosto semplice ma efficace nel chiarire l'interazione potenziata tra nanofogli MOF e polimeri.
  5. Raccogliere curve sforzo-deformazione delle membrane a diversi carichi MOF e calcolare il modulo di Young e la deformazione di allungamento dalle curve sforzo-deformazione.
    NOTA: Le proprietà meccaniche della membrana possono essere valutate utilizzando l'analisi sollecitazione-deformazione.
  6. Valutare il carico di nanolamina MOF nella membrana orientata tramite il metodo di analisi termogravimetrica.
    1. Per prima cosa, attiva circa 10 mg di polvere di nanofoglio con purgaN2 a 200 °C per 135 minuti per assicurare l'attivazione.
    2. Aumentare la temperatura fino a 800 °C a una velocità di riscaldamento di 10 °C·min−1 sotto il flusso diO2 e mantenere la temperatura a 800 °C per 2 ore. Confrontare la massa residua di ossido metallico con la massa iniziale attivata delMOF 28.
    3. Utilizzare lo stesso protocollo (passaggi 3.6.1 e 3.6.2) per membrane contenenti nanofogli MOF per determinare il carico MOF.
      NOTA: Dalla massa residua di ossido metallico dopo il riscaldamento a 800 °C per 2 ore in ambienteO2 , si può determinare il contenuto di nanofogli MOF nella membrana.

4. Valutare le proprietà di separazione a gas singolo e misto delle membrane orientate

  1. Valutare le misurazioni di permeazione singola/pura di gas utilizzando un metodo a pressione variabile a volumecostante fatto in casa 28.
    NOTA: Condizione di permeazione a gas singolo tipicamente a 35 °C e pressione di alimentazione di 2 bar per He, H2, CO2, O2, N2, CH4, C2H4, C2H 6, C3H 6 e C3H8. Fu utilizzato uno strumento di separazione dei gas fatto in casa. Consulta il nostro lavoroprecedentemente pubblicato 28 per i dettagli della configurazione.
    1. Taglia la membrana usando un punzone meccanico in una forma di cerchio o a forma di moneta di circa2 cm 2 .
    2. Monta la membrana sulla cella di permeazione, mascherala con nastro adesivo di alluminio e sigillala con resine epossidiche.
      NOTA: La sigillatura a membrana con resina epossidica deve essere eseguita con attenzione per evitare fori indesiderati.
    3. Tieni esposta un'area selezionata della membrana per la permeazione del gas.
    4. Misura l'area accessibile della membrana per la permeazione del gas utilizzando uno scanner e misura lo spessore della membrana con un profondimetro.
    5. Evacuare il sistema di permeazione a 35 °C per 12 ore prima di eseguire qualsiasi test di permeazione.
      NOTA: Questo passaggio aiuta a rimuovere qualsiasi umidità adsorbita durante la sigillatura della membrana.
    6. Alimentare il gas a 2 bar (pressione a monte) e attendere 20 minuti per equilibrare la temperatura del sistema di permeazione.
    7. Calcola la permeabilità singola al gas usando la pendenza della pressione a valle rispetto al tempo (dp/dt) nella condizione di stato stazionario tramite la seguente equazione:
      figure-protocol-1 figure-protocol-2(1)
      NOTA: P si riferisce alla permeabilità ai gas di una membrana in barrer (1 barrer = 10-10 cm3(STP)·cm-2·s-1·cmHg-1), V è il volume della camera a valle (cm3), l è lo spessore della membrana (cm), p0 è la pressione a monte (cmHg), A si riferisce all'area effettiva della membrana (cm2), R è la costante gassistica (0,278 cm3 cmHg cm-3 (STP) K-1), T è la temperatura operativa (K).
    8. Ottieni la selettività ideale (SA/B) del gas A al gas B usando la seguente equazione:
      figure-protocol-3(2)
      NOTA: PA e PB indicano rispettivamente la permeabilità dei gas A e B.
  2. Valutare le misurazioni della permeazione a gas misti.
    1. Utilizzare la miscela binaria di gas (CO2/CH4:10/90; 20/80 e 50/50) e/o la miscela di gas ternari (H2S/CO2/CH4:1/9/90; 18/2/80 e 5/5/90) per i test di separazione a gas misti.
    2. Utilizzare apparecchiature di permeazione a singolo gas modificate per la misurazione della permeazione a gas misto, che deve essere integrata con la microcromatografia a gas (Agilent 490 Micro-GC)28.
      NOTA: La pressione di alimentazione a gas misto può variare da 2 a 30 bar e la temperatura da 25 a 100 °C.
    3. Mantieni il taglio dello stadio (il rapporto di portata tra permeato e alimentazione) sotto l'1%.
      NOTA: La polarizzazione della concentrazione di gas sul lato a monte della membrana può essere aggirata in questo modo, mantenendo anche la forza motrice costante attraverso la membrana durante lo studio della permeazione del gas.
    4. Lascia che la miscela gassa penetri attraverso la membrana fino a raggiungere un tasso di permeazione a regime stazionario, tipicamente superiore a 5 ritardi temporali.
    5. Evacuare la miscela di permeati e poi raccogliere la miscela gasosa in condizioni di stato stazionario.
    6. Diluire il gas permeato con gas He e analizzare la miscela gassosa con un Micro-GC.
    7. Calcola la permeabilità mista ai gas della componente i (Pi) utilizzando la seguente equazione.
      figure-protocol-4(3)
      NOTA: y e x sono rispettivamente le frazioni molari nel permeato e nell'alimentazione, e p0 è la pressione di alimentazione del componente i.
    8. Analizza la selettività dei gas misti (Si/j) usando il rapporto tra la permeabilità di due componenti, i e j.
      figure-protocol-5(4)

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Risultati

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I riempitivi di nanofogli orientati (Figura 1) possiedono intrinsecamente diversi vantaggi nelle MMM rispetto alle nanoparticelle. La superficie esterna relativamente ampia e la riduzione della distanza di diffusione dei micropori dei nanofogli promuovono direzionalmente la diffusione del gas con la discriminazione molecolare preservata (Figura 2). L'area superficiale esterna relativamente ampia dei nanofogli rispetto alle nanop...

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Discussione

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La sintesi di nanofogli MOF orientati con un alto rapporto d'aspetto è sorprendentemente impegnativa. A differenza di altre applicazioni, i nanofogli MOF per la separazione dei gas devono essere sintetizzati senza tensioattivo e/o modello per evitare qualsiasi sostanza indesiderata sulla superficie dei nanofogli MOF. Inoltre, i canali/pori dei nanofogli dovrebbero essere orientati fuori dalla direzione del piano per promuovere la diffusione del gas in modo direzionale. Ogni struttura MOF...

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Dichiarazioni

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Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Ringraziamenti

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Questa ricerca è stata sostenuta dalla King Abdullah University of Science and Technology (KAUST). S.J.D. e M.E. riconoscono il sostegno di KAUST.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Idrossido di alluminio (III) idrato  Aldrich1330-44-5
Bruker D8 AdvanceBrukerNADiffrattometro a raggi X 
Viscosimetro CAP-2000+AMETEK BrookfieldNACaratterizzazione reologica
Cloroformio (99,8%)Sigma-Aldrich67-66-3
CO2/CH4 : 50/50, 20/80, 10/90 e H2S/CO2/CH4 = 9/1/90, 18/2/80, 5/5/90 Liquido d'aria e AHGNA
Diclorometano (99,9%)Sigma-Aldrich75-09-2
Etanolo (99,7%)VWR64-17-5
H2 (99,999%), N2 (99,999%), CO2 (99,999%), CH4 (99,999%), C3H6 (99,5%), C3H8 (99,5%) Liquido d'aria e AHGNA
Microscopio Helios G4 UX DualBeamThermoFisherNAFIB-SEM 
Strumenti di separazione dei gas fatti in casaNANAVedi rif. 28 per i dettagli sull'installazione
Acido fluoridrico (48% in peso)Sigma-Aldrich7664-39-3
Magellan 400-FEGThermoFisherNAImmagini SEM 
Tetraidrato di acetato di nichel (II) (99%)Organici6018-89-9
Polyimide 6FDA-DAM (Mw = 330 kDa, PDI: 2,48)Akron Polymer Systems, Inc.NA
Pirazina (99%)Aldrich290-37-9
Analizzatore TA Q-5000TA InstrumentsNATGA 
Tetraidrofurano (99%)Sigma-Aldrich109-99-9

Riferimenti

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