Elettroforetica cristallizzazione delle membrane ultrasottile ad alte prestazioni Metal-organic frameworks

Questo metodo può aiutare a rispondere alla domanda chiave nella sintesi di film MOF policristallini, come ad esempio come sintetizzare in modo riproducibile le membrane MOF. Il vantaggio principale di questa tecnica è che possiamo controllare la nucleazione eterogenea su un'ampia gamma di substrati portando a film MOF ultrasottili e privi di foro stenopeico. Con l'aiuto dell'ingegneria dei cristalli che coinvolge la nucleazione e la crescita controllate, miriamo a semplificare il protocollo di sintesi dei film MOF.

Per prima cosa taglia un foglio di rame ad alta purezza in pezzi di quattro centimetri per quattro. Per facilitare il bloccaggio della lamina tagliata con una serie di clip a coccodrillo in rame, traccia una linea a 0,5 centimetri da uno dei bordi di ciascuna lamina quadrata. Quindi appiattire ogni foglio utilizzando un rullo cilindrico su una superficie pulita.

Pulire accuratamente le lamine di rame mediante sonicazione in bagno di acetone per 15 minuti, seguita da sonicazione in bagno in isopropanolo per 15 minuti. Quindi asciugare i fogli di rame in un piatto di vetro. Posizionare con cura il substrato desiderato al centro dell'elettrodo di rame utilizzando del nastro adesivo.

Sciacquare il gruppo elettrodo del substrato per un minuto con acqua, seguito da isopropanolo e di nuovo con acqua. Successivamente, collegare un elettrodo di rame nudo a un anodo. Quindi collegare il gruppo elettrodo del substrato a un catodo.

Posizionare i due elettrodi in un becher di vetro da 100 millilitri e regolare la distanza tra di essi a un centimetro. Aggiungere 31,6 grammi di soluzione di zinco esaidrato e 35 grammi di soluzione di benzimidazolo in un becher da 100 millilitri e mescolare per 30 secondi a temperatura ambiente per formare il sol precursore. Trasferire il sol precursore nel becher contenente gli elettrodi.

Quindi immergere entrambi gli elettrodi fino al segno di 3,5 centimetri regolando l'altezza del becher. Eseguire la deposizione elettroforetica con la tensione di deposizione di un volt per quattro minuti accendendo l'alimentazione del generatore. Al termine della deposizione, abbassare lentamente il becher per evitare di disturbare la debole adesione tra i nuclei appena depositati e il substrato.

Dopo aver asciugato il substrato, trasferirlo su un vetrino microscopico utilizzando del nastro adesivo per tenere il substrato in posizione. Per la crescita dei cristalli, mescolare 31,6 grammi di soluzione di zinco esaidrato e 35 grammi di soluzione di 2-metilimidazolo in un becher da 100 millilitri. Posizionare il vetrino microscopico con il substrato verticalmente nella soluzione precursore e lasciarlo indisturbato per 10 ore a 30 gradi Celsius.

Dopo 10 ore di crescita dei cristalli, risciacquare il substrato con acqua per 30 minuti. Quindi asciugare il supporto in un'atmosfera pulita. Per preparare accuratamente il sigillante, mescolare una proporzione uguale di resina epossidica e indurente e lasciare la miscela per un'ora.

Posizionare la membrana ZIF-8 su un disco di acciaio largo 24 millimetri con un foro di cinque millimetri di diametro al centro. Applicare la resina epossidica lungo i bordi del supporto e successivamente coprire il supporto ad eccezione del foro di cinque millimetri di diametro al centro. Dopo aver lasciato asciugare la resina epossidica per una notte, utilizzare uno stereomicroscopio per scansionare la membrana insieme alla scala di riferimento nota.

Utilizzare un software grafico per calcolare l'area esposta della membrana dall'immagine scansionata. Posizionare quindi il disco d'acciaio con la membrana nella cella di permeazione in acciaio inossidabile e mettere la cella in un forno. Garantire una tenuta stagna posizionando gli O-ring in Viton sopra e sotto il disco in acciaio e fissando le viti.

Impostare le portate di gas sui lati di alimentazione e spazzamento a 30 millilitri al minuto. Per rimuovere l'acqua assorbita durante la sintesi, riscaldare la cella a membrana utilizzando l'idrogeno come gas di alimentazione e l'argon come gas di spazzamento a 130 gradi Celsius per due ore. Mantenere una pressione di 0,1 megapascal sul lato di alimentazione e sul lato di spazzamento regolando le valvole a spillo rispettivamente sul lato del retentato e sul lato del permeato.

Modificare il flusso di gas nel lato di alimentazione in gas target e impostare la portata del gas su 30 millilitri al minuto. Impostare la temperatura del forno alla temperatura desiderata. Quindi calcola la permeanza in Excel una volta stabilito uno stato stazionario in base ai dati dello spettro di massa.

Le immagini SEM e i modelli XRD mostrano che il film di nuclei ZIF-8 è compatto e dimostra che il metodo ENACT è abbastanza efficiente nel controllare la densità di nucleazione eterogenea su un substrato. Dopo la crescita, la morfologia del film osservata dal SEM è compatta e priva di fori stenopeici e sembra essere altamente intercresciuta. Qui sono mostrate le morfologie della superficie e della sezione trasversale del supporto AAO, della membrana ZIF-8/AAO, del supporto PAN e della membrana ZIF-8/PAN.

I dati sulla permanenza in gas delle membrane ZIF-8/AAO e ZIF-8/PAN mostrano che la loro selettività dell'idrogeno propano è rispettivamente di 2700 e 190, dimostrando che il film MOF è quasi privo di difetti. La membrana ZIF-8/AAO mostra un'altissima permeanza all'idrogeno a causa dello spessore ultra sottile. Durante il tentativo di questa procedura è importante attendere che si verifichi l'induzione del cristallo prima di applicare la deposizione elettroforetica.

Ad esempio, l'induzione dei cristalli può essere ratificata studiando il sol precursore in un microscopio elettronico a trasmissione. Questo protocollo consente di controllare con precisione la densità di nucleazione eterogenea e lo spessore del film dei nuclei semplicemente controllando il campo elettrico e il tempo di deposizione elettroforetica e può essere esteso per sintetizzare film policristallini di varie strutture. Dopo lo sviluppo di questa tecnica, ci ha aperto la strada per condurre studi sistematici sull'ingegnerizzazione di film MOF di spessore inferiore a 100 nanometri.

Non dimenticare che lavorare con metilimidazolo e nitrato di zinco può essere pericoloso e precauzioni come indossare guanti e operare in una cappa aspirante devono essere sempre prese durante l'esecuzione di questa procedura.