여기서는 고도로 선택적인 분자 체(여기서는 MOFs)를 쉽게 가공 가능한 폴리머 매트릭스에 통합하여 혼합 매트릭스 멤브레인(MMM)을 제작하는 프로토콜을 설명합니다. 이는 두 재료의 최상의 특성을 결합하고 뛰어난 가스 분리 성능을 가진 고급 하이브리드 멤브레인을 제작할 유망한 접근법을 제공합니다.
방법 논문
여기서는 고도로 선택적인 분자 체(여기서는 MOFs)를 쉽게 가공 가능한 폴리머 매트릭스에 통합하여 혼합 매트릭스 멤브레인(MMM)을 제작하는 프로토콜을 설명합니다. 이는 두 재료의 최상의 특성을 결합하고 뛰어난 가스 분리 성능을 가진 고급 하이브리드 멤브레인을 제작할 유망한 접근법을 제공합니다.
에너지 효율적인 분리 추구가 가장 중요합니다. 막 기반 분리는 분리와 관련된 과도한 에너지 페널티를 완화할 수 있습니다. 혼합 매트릭스 멤브레인(MMM)은 쉽게 가공 가능한 폴리머와 고도로 선택적인 흡착제를 결합하여 뛰어난 흡착제 분리 특성을 가공 가능한 매트릭스에 전달할 수 있는 큰 잠재력을 제공합니다. 이 원고는 방향성 혼합 기질 금속-유기 프레임워크(MMMOF) 막의 제작 방법론과 이후 산업적으로 중요하고 매우 까다로운 가스 혼합 분리에 대한 후속 적용을 설명합니다. 지향형 MMMOF 막은 세 가지 필수적이고 상호 연결된 기준에 따라 제작되었습니다: (i) MOF 분자 체에 필러가 최적의 기공 크기와 형태, 기능성, 숙주-게스트 상호작용을 갖추어 원하는 기체 분자의 확산을 선택적으로 촉진하는 것; (ii) MOF 결정 형태를 미리 정의된 결정학 방향으로 고종관비 나노시트로 합성하여 채널/기공의 최대 접근성을 보장하고 나노시트-폴리머 인터페이스 호환성을 향상시켜 높은 나노시트 하중을 가능하게 하는 것; 그리고 (iii) MOF 나노시트를 고분자 매트릭스 내에서 제어된 조립(평면 내 정렬)하여 MOF 나노시트의 독특한 분자 체질 특성을 가공 가능한 매트릭스로 변환하는 MMMOF 막의 형태로 변환하는 것. 멤브레인은 고압 고온에서 천연가스로부터 비할 데 없는 황화수소 및 이산화탄소 분리를 보였습니다. 여기서 제시한 방법들은 주요 산업 분리를 해결하기 위한 다양한 고성능 멤브레인 개발에 큰 잠재력을 가지고 있습니다.
화학적 분리는 매우 에너지 집약적이며 전 세계 산업 에너지의 약 50%를 소비합니다 1,2. 막 기반 분리 공정은 기존의 극저온 증류 및/또는 흡착 분리에 비해 에너지 효율이 매우 높습니다. 순수 폴리머 막은 일반적으로 로브슨 상한선 3,4로 알려진 투과성과 선택성 간의 상충 거동을 겪습니다. 혼합 매트릭스 막(MMMs)은 선택적 흡착제(분자 체면 효과 및 가스 확산 특성 향상)와 고분자(용이한 용액 가공성)의 이점을 결합하여 에너지 효율적이고 환경 지속 가능한 기술로 나아가는 전망 분리 물질로 간주됩니다 5,6,7. 그럼에도 불구하고, 흡착제의 독특한 분리 특성을 혼합 매트릭스 막의 형태로 가공 가능한 매트릭스에 효과적으로 번역하는 것은 여전히 큰 도전 과제로 남아 있습니다. 이는 고분자 매트릭스 내 충전재의 심각한 응집과 침전, 그리고 충전재와 고분자 계면 간의 불호환성 문제로 인해 더욱 그렇습니다. 이러한 문제로 인해 고도로 선택적인 막의 완성이 저해되고 막의 기계적 특성도 감소합니다.
호환성 문제를 해결하기 위해 유기 모이에티를 포함한 다공성 흡착제가 고분자 매트릭스와의 접착을 촉진하는 데 적합합니다. 금속-유기 프레임워크(MOFs)는 금속 노드 또는 금속 클러스터가 다기능 유기 링크커 9,10,11과 배위된 혼합 고체 상태 재료의 조정 가능한 클래스로, 순수 무기 제올라이트와 비교해 폴리머 매트릭스와의 호환성이 더 높을 것으로 기대된다. MOFs는 선택적 가스 분리 13,14,15에 우수한 흡착제로 상당한 주목을 받고 있다는 점도 주목할 만합니다.
등방성 또는 근등방성 충전제(예: 나노입자)를 사용하여 다양한 MMM이 보고되었습니다. MOF 외에도 사용되는 충전제로는 제올라이트, 중공성 규산, 공유 공유 유기 프레임워크(COFs)5,6,7이 있습니다. 그럼에도 불구하고, 선택성과 투과성 향상이 동시에 나타나는 MMMs는제한적입니다 16, 17, 18.
분명히, 높은 종횡비를 가진 나노시트와 같은 비등방성 형태의 충전재를 도입하는 것이 고성능 MMMs19의 구성에 필수적입니다. 비교적 높은 외부 표면적과 감소된 미세 기공 확산 길이는 분자 분별 보존을 유지한 가스 확산을 방향적으로 촉진하여 투과성과 선택성 모두를 크게 증가시킬 수 있습니다20. 중요한 점은, 나노시트의 높은 외부 표면적이 나노시트-폴리머 인터페이스 호환성을 나노입자에 비해 크게 향상시킬 수 있다는 점입니다. Cu-BDC 21,22,23 및 NH2-MIL-53(Al)24 MOF 나노시트가 MMM의 충전제로 사용된 바 있으며, 이들 막은 투과성을 희생하면서도 적당한 선택성 향상을 보였으며, 이는 폴리머 매트릭스 내에서 나노시트의 적절한 정렬이 매우 중요함을 강조합니다. 고성능 MOF의 고종횡비 나노시트 생산과 함께, 고분자 매트릭스 내에서 나노시트의 주요 평면 정렬을 제공할 수 있는 적절한 방법론을 개발하는 것이 필수적입니다. 특히, 선택된 MOF 구조를 나노시트로 표현하는 새로운 합성 프로토콜 개발이 매우 중요합니다. 많은 수축 기공 MOF 구조는 고유한 흡착 및 확산 특성을 가지고 있지만, 기존의 각질 제거 방법과는 호환되지 않기 때문입니다25,26.
MOF의 나노시트 형태학과 고분자 매트릭스 내 MOF 나노시트의 적절한 평면 내 정렬 외에도, MOF 충전재와 고분자 쌍의 신중한 선택은 고성능 MMM을 구축하는 데 매우 중요한 요소입니다. 이 두 성분은 내재적 투과성과 선택성이 매우 다를 수 있다는 점을 주목해야 합니다. 따라서 MMM을 비교적 낮은 투과성 MOF 충전재와 고투과성 폴리머로 제작하면, 기체 분자가 폴리머 상을 통해 확산/투과될 가능성이 더 크기 때문에 MOF 효과가 가스 분리에 미치는 영향이 최소화됩니다. 반면, 투과율이 높은 MOF에서는 매우 낮은 투과성 폴리머를 가진 제조 MMM은 고분자 중심의 가스 분리를 초래합니다.
이 원고는 세 가지 필수 기준에 기반한 방향성 혼합 기질 금속-유기 프레임워크(MMMOF) 막의 개념과 구성에 대해 설명합니다: (i) AlFFIVE-1-Ni [NiAlF5(H2O)(pyr)2]로서, 목표 가스(CO2 및 H2S)의 운반/확산을 촉진하고 다른 기체의 확산을 방해하는 적절한 기공 구조를 가진 첨단 분자 체(체) 충전제로서(CH4) 또는 더 큰 분자); (ii) AlFFIVE-1-Ni MOF 결정 형태를 정의된 결정학 방향에 따라 맞춤 조정하여 기공/채널 시스템(고종횡비 나노시트)의 노출을 극대화하는 것; (iii) 폴리머 매트릭스 내 나노시트의 평면 내 정렬과 개별 나노시트의 놀라운 분자 분리/체질 특성을 거시적 연속막으로 변환하는연구.
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1. (001) 방향성 AlFFIVE-1-Ni MOF 나노시트 준비 (그림 1)
참고: (001) 방향성 AlFFIVE-1-Ni 나노시트는 두 가지 다른 전구체 용액(i) 금속 및 리간드 용액, (ii) 필러 함유 용액을 용해열 반응28 하에서 결합하여 합성할 수 있습니다.
2. [001] 지향 혼합 매트릭스 금속-유기 프레임워크(MMMOF) 막의 제작
3. [001] 지향 MMMOF 막의 특성 분석
4. 방향성 멤브레인의 단일 및 혼합 가스 분리 특성을 평가한다
(1)
(2)
(3)
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지향성 나노시트 필러(그림 1)는 나노입자에 비해 MMM에서 여러 가지 장점을 본질적으로 가지고 있습니다. 나노시트의 상대적으로 큰 외부 표면적과 감소한 미세 기공 확산 거리는 분자 분별 보존을 유지하면서 가스 확산을 방향적으로 촉진합니다(그림 2). 나노시트는 나노입자에 비해 상대적으로 넓은 외부 표면적을 가지고 있어 나노시트-폴리머 인터페이스 호환성을 크게 향상시켜 높은 나노시트/충전재 하중을 가능하게 합니다. 우리는 막의 우수한 물리적 안정성을 가진 나노시트 형태를 사용하여 매우 높은 필러 하중(50-60 wt%)이 가능하다는 것을 확인했습니다(그림 3 및 그림 4).
반면, 나노입자를 이용해 제작된 막...
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높은 종관비를 가진 지향형 MOF 나노시트 합성은 매우 도전적입니다. 다른 응용과 달리, MOF 나노시트는 표면에 원치 않는 물질이 남지 않도록 계면활성제 및/또는 템플릿 없이 합성해야 합니다. 또한, 나노시트의 채널/기공은 가스 확산을 방향적으로 촉진하기 위해 평면 방향에서 벗어나도록 배치되어야 합니다. 각 MOF 구조는 결정 성장 메커니즘이 다르므로, 동일한 합성 절차가 모든 MOF 나노시트 합성에 적용될 수 없습니다. 주어진 MOF에 대해 나노시트 합성 절차를 개발하거나 최적화해야 합니다. 흥미롭게도, 우리는 이 프로토콜을 사용하여 고전성비 나노시트와 제작 지향형 MMMOF 막으로 합성할 수 있는 여러 플루오르화 MOF를 얻었습니다.
방향성 MMMOF 막을 사용해 달성한 향상된 성능은 앞서 설명한 세 가지 필수 표준의 중요성을 식별함으로써 재조직할 수 있습니다. 매우 높은 나노시트 하중(>60 wt%)의 달성이 ...
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저자들은 공개할 것이 없습니다.
이 연구는 킹 압둘라 과학기술대학교(KAUST)의 지원을 받았습니다. 신사법 박사 및 감리학은 KAUST의 지원을 인정합니다.
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| 이름 | 회사 | 카탈로그 번호 | 댓글 |
|---|---|---|---|
| 알루미늄(III) 수산화물 수화물 및 nbsp; | 올드리치 | 1330-44-5 | |
| 브루커 D8 어드밴스 | 브루커 | NA | X선 회절계 |
| CAP-2000+ 점도계 | 아메텍 브룩필드 | NA | 유변학적 특성 |
| 클로로포름 (99.8%) | 시그마-올드리치 | 67-66-3 | |
| CO2/CH4 : 50/50, 20/80, 10/90 및 H2S/CO2/CH4 = 1/9/90, 2/18/80, 5/5/90 | 공기 액체와 AHG | NA | |
| 디클로로메탄 (99.9%) | 시그마-올드리치 | 75-09-2 | |
| 에탄올 (99.7%) | VWR | 64-17-5 | |
| H2sub (99.999%), N2 (99.999%), CO2 (99.999%), CH4 (99.999%), C3H6 (99.5%), C3H8 (99.5%) | 공기 액체와 AHG | NA | |
| 헬리오스 G4 UX 듀얼빔 현미경 | 서모피셔 | NA | FIB-SEM |
| 자작 가스 분리 기기 | NA | NA | 자세한 세팅은 참고문헌 28을 참조하세요 |
| 불화수소산 (물에 48 중량) | 시그마-올드리치 | 7664-39-3 | |
| 마젤란 400-FEG | 서모피셔 | NA | SEM 이미지와 nbsp; |
| 니켈(II) 아세테이트 사수화물 (99%) | 유기체 | 6018-89-9 | |
| 폴리이미드 6FDA-DAM (Mw = 330 kDa, PDI: 2.48) | 애크런 폴리머 시스템즈, Inc. | NA | |
| 피라진 (99%) | 올드리치 | 290-37-9 | |
| TA Q-5000 분석기 | TA 악기 | NA | TGA |
| 테트라하이드로푸란 (99%) | 시그마-올드리치 | 109-99-9 |
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