Methodenartikel

Fabricage van georiënteerde gemengde-matrix metaal-organische raamwerkmembranen voor moleculaire scheiding

DOI:

10.3791/65454

⸱

6 februari 2026

 , 
1Advanced Membrane and Porous Materials Platform, Division of Physical Science and Engineering (PSE), King Abdullah University of Science and Technology (KAUST), 2Functional Materials Design, Discovery and Development (FMD3), Advanced Membrane and Porous Materials Platform, Division of Physical Science and Engineering, KAUST

In dit artikel

Samenvatting

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

Hier beschrijven we een protocol voor het fabriceren van gemengde matrixmembranen (MMM's) door zeer selectieve moleculaire zeefvullingen (hier MOF's) te integreren in de gemakkelijk verwerkbare polymeermatrix, wat een veelbelovende aanpak biedt om de beste eigenschappen van beide materialen te combineren en geavanceerde hybride membranen te vervaardigen met uitstekende gasscheidingsprestaties.

Samenvatting

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

De zoektocht naar energiezuinige separaties is van het grootste belang. Membraangebaseerde scheiding kan overmatige energie-nadele die gepaard gaan met scheidingen verminderen. Gemengde matrixmembranen (MMM's), die gemakkelijk verwerkbare polymeren en zeer selectieve adsorbenten combineren, bieden een groot potentieel om opmerkelijke adsorbent-separatie-eigenschappen te vertalen naar de verwerkbare matrix. Dit manuscript beschrijft de gedetailleerde methodologie voor de fabricage van georiënteerde gemengde-matrix metaal-organisch kader (MMMOF) membranen en hun daaropvolgende toepassing in diverse industrieel belangrijke en zeer uitdagende gasmengselscheidingen. Het georiënteerde MMMOF-membraan werd vervaardigd op basis van drie essentiële en onderling verbonden criteria: (i) een MOF-moleculaire zeefvuller heeft optimale poriegrootte en -vorm, functionaliteit en gastheer-gast interactie die selectief de diffusie van het gewenste gasmolecuul over andere vergemakkelijkten; (ii) een beheerste synthesecontrole van MOF-kristalmorfologie in een vooraf gedefinieerde kristallografische richting in nanosheets met een hoge aspectverhouding die maximale toegankelijkheid van kanalen/poriën garanderen en de compatibiliteit tussen nanosheets en polymeerinterfaces verbeteren, waardoor hoge nanosheet-belasting mogelijk is; en (iii) een denkbare gecontroleerde assemblage (in-plane uitlijning) van MOF-nanosheets in de polymeermatrix om de verschillende moleculaire zeefeigenschappen van MOF-nanosheets te vertalen naar de verwerkbare matrix als een vorm van MMMOF-membraan. Het membraan vertoonde een ongeëvenaarde scheiding van waterstofsulfide en kooldioxide van aardgas onder hoge druk en hoge temperatuur. De hier gepresenteerde methoden hebben een groot potentieel voor de ontwikkeling van diverse hoogpresterende membranen om belangrijke industriële scheidingen aan te pakken.

Inleiding

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

Chemische scheidingen zijn zeer energie-intensief en verbruiken ongeveer 50% van de wereldwijde industriële energie 1,2. Membraangebaseerde scheidingsprocessen zijn zeer energiezuinig in vergelijking met conventionele cryogene destillatie en/of adsorptieve scheiding. Zuivere polymeermembranen lijden vaak aan een afweggedrag (een relatie tussen permeabiliteit en selectiviteit) dat bekendstaat als Robesons bovengrens 3,4. Gemengde-matrixmembranen (MMM's), die de voordelen van selectieve adsorbenten (moleculaire zeefeffecten en verbeterde gasdiffusie-eigenschappen) en polymeren (eenvoudige oplosbaarheid) combineren, worden beschouwd als prospectscheidende middelen voor energiezuinige en milieuvriendelijke technologieën 5,6,7. Desalniettemin blijft effectieve vertaling van adsorbent-onderscheidende scheidingseigenschappen naar de verwerkbare matrix als een vorm van gemengde matrixmembranen een aanzienlijke uitdaging vanwege ernstige agglomeratie en sedimentatie van vulstoffen binnen de polymeermatrix en het opgetreden incompatibiliteitsprobleem tussen vulstof en polymeerinterface. Als gevolg van deze uitdagingen wordt het bereiken van zeer selectieve membranen belemmerd en nemen de mechanische eigenschappen van het membraanaf.

Om het compatibiliteitsprobleem aan te pakken, is een poreuze adsorbent met organische groepen geschikt om de adhesie met de polymeermatrix te bevorderen. Metaal-organische frameworks (MOF's), een instelbare klasse van hybride vaste-stof materialen bestaande uit metaalknopen of metaalclusters die zijn gecoördineerd op multifunctionele organische linkers 9,10,11, zullen naar verwachting betere compatibiliteit bieden met de polymeermatrix in vergelijking met pure anorganische zeolieten12. Het is vermeldenswaard dat MOF's aanzienlijke aandacht hebben gekregen als uitstekende adsorbenten voor selectieve gasscheiding 13,14,15.

Verschillende MMM's zijn gerapporteerd met isotrope of bijna-isotrope vulstoffen (bijv. nanodeeltjes). De vulstoffen die naast MOFs worden gebruikt, omvatten zeolieten, mesoporeuze silica en covalent-organische frameworks (COFs)5,6,7. Desalniettemin vertoont slechts een beperkte MMM een gelijktijdige verbetering in selectiviteit en permeabiliteit 16,17,18.

Het is duidelijk dat het introduceren van fillers met niet-isotrope morfologieën zoals nanosheets met een hoge aspectverhouding essentieel is voor de constructie van high-performance MMM's19. Het relatief grote externe oppervlak en de verminderde microporiediffusielengte van nanosheets bevorderen richtingsgericht gasdiffusie met behouden moleculaire discriminatie, wat zorgt voor een aanzienlijke toename van zowel permeabiliteit als selectiviteit20. Belangrijk is dat de hoge externe oppervlakten van nanosheets een aanzienlijke verbetering bieden van de compatibiliteit tussen nanosheets en polymeerinterfaces ten opzichte van nanodeeltjes. Het is opmerkelijk dat Cu-BDC21,22,23 en NH2-MIL-53(Al)24 MOF nanosheets als vullingen in MMM's zijn gebruikt; deze membranen vertoonden ongebruikelijk een matige verbetering in selectiviteit ten koste van de permeabiliteit, wat het essentiële belang van een juiste uitlijning van nanosheets binnen de polymeermatrix benadrukt. Naast de productie van nanosheets met een hoge aspectverhouding van hoogpresterende MOF's, is het essentieel een geschikte methodologie te ontwikkelen die de belangrijkste in-plane uitlijning van nanosheets binnen de polymeermatrix kan bieden. Met name is de zoektocht naar een nieuw synthetisch protocol om geselecteerde MOF-structuren als nanosheets te renderen van groot belang, aangezien veel samengekrompen porie MOF-structuren unieke adsorptie- en diffusie-eigenschappen hebben25,26, maar ze zijn niet compatibel met de conventionele exfoliatiemethoden27.

Naast de nanosheetmorfologie van de MOF en de juiste in-plane uitlijning van MOF-nanosheets binnen de polymeermatrix, is de zorgvuldige selectie van MOF-vulstof en polymeerpaar ook een uiterst belangrijke parameter om een hoogpresterende MMM te construeren. Het moet worden opgemerkt dat deze twee bestanddelen zeer verschillende intrinsieke permeabiliteit en selectiviteit kunnen hebben. Daarom, als een MMM wordt vervaardigd met een relatief laagdoorlatende MOF-vuller met een hoogpermeabel polymeer, zal de MOF minimale invloed hebben op de gasscheiding omdat gasmoleculen waarschijnlijk eerder door de polymeerfase diffunderen/permeaat. Daarentegen zal een MOF met hoge permeabiliteit echter leiden tot de gefabriceerde MMM met zeer laag permeabel polymeer tot de door polymeer gedomineerde gasscheiding.

Dit manuscript beschrijft een concept en constructie van een georiënteerd gemengd-matrix metaal-organisch raamwerk (MMMOF) membraan gebaseerd op drie essentiële criteria: (i) AlFFIVE-1-Ni [NiAlF5(H2O)(pyr)2] als een geavanceerde moleculaire zefvuller met een geschikte poriestructuur die het transport/diffusie van doelgassen (CO2 en H2S) faciliteert, terwijl het de diffusie van andere gassen belemmert (CH4 of een groter molecuul); (ii) het afstemmen van de AlFFIVE-1-Ni MOF-kristalmorfologie langs een bepaalde kristallografische richting om de blootstelling van het porie/kanaalsysteem te maximaliseren (nanosheets met hoge aspectverhouding); (iii) in-vlak uitlijning van nanosheets binnen de polymeermatrix en het vertalen van de opmerkelijke moleculaire scheidings-/zeefeigenschappen van discrete nanosheets naar een macroscopisch continu membraan28.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

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

1. Voorbereiding van (001) georiënteerde AlFFIVE-1-Ni MOF nanosheet (Figuur 1)

OPMERKING: (001) georiënteerde AlFFIVE-1-Ni nanosheet kan worden gesynthetiseerd door twee verschillende precursorhoudende oplossingen te combineren (i) metaal- en ligandoplossing en (ii) pilaarhoudende oplossing onder solvotherme reactie28.

  1. Bereid een metaal- en ligandoplossing voor door 1,80 g pyrazine (22,03 mmol) en 2,20 g nikkelacetaattetrahydraat (8,84 mmol) op te lossen in 9 mL van een 2:1 (v/v) mengsel ethanol-H2O door sonicatie gedurende 3 minuten.
  2. Bereid [AlF5(H2O)]2-pillaroplossing door 0,32 g aluminiumhydroxide (4,10 mmol) op te lossen in 4 mL 3:1 (v/v) mengsel HF-H2O door sonicatie gedurende 2 minuten bij kamertemperatuur (RT; 25 °C).
  3. Combineer metaal, ligand en zuilen met oplossingen en sonicatéer het mengsel gedurende 3 minuten.
    OPMERKING: De sonicatiefrequentie voor stappen 1.1-1.3 is 20 kHz.
  4. Voer een solvothermale reactie uit bij 50 °C gedurende 3 dagen onder statische omstandigheden.
    OPMERKING: Solvothermale reactie kan worden uitgevoerd in een 50 mL conische buis in een voorverwarmde oven.
  5. Verzamel AlFFIVE-1-Ni MOF nanosheet met een centrifugale kracht van 1789 x g gedurende 5 minuten.
  6. Was het MOF-nanosheet met 300 ml water en was het met 60 ml ethanol.
  7. Bereid de AlFFIVE-1-Ni nanosheet stock oplossing voor door het nanosheet te verspreiden in de vereiste hoeveelheid chloroform en de nanosheetconcentratie aan te passen tot ongeveer 100 mg MOF/mL oplossing.
    OPMERKING: Om agglomeratie te voorkomen, droog het nanosheet niet vóór de membraanvoorbereiding.
  8. Bereid AlFFIVE-1-Ni nanodeeltjes voor door 8,85 mmol [AlF5(H2O)]2-pillaroplossing te gebruiken in plaats van 4,10 mmol [AlF5(H2O)]2-pillar solution28.

2. Fabricage van een [001]-georiënteerd gemengd-matrix metaal-organisch raamwerk (MMMOF) membraan

  1. Gebruik chloroform als dispergeermedium voor in-vlak uitlijning van nanosheets binnen de polymeermatrix (Figuur 2).
    OPMERKING: Dispergiemediums spelen een cruciale rol bij het vervaardigen van een defectvrij gemengde matrixmembraan.
  2. Voer de oplossingsgietmethode uit om [001]-georiënteerde MMMOF-membranen met verschillende diktes te vervaardigen.
  3. Bereid een polymeeroplossing voor door 150 mg gedroogde polyimiden (6FDA-DAM) op te lossen in 2 ml chloroform door 3 uur te schudden op een mechanische shaker bij RT.
  4. Neem de vereiste hoeveelheid aliquot uit de AlFFIVE-1-Ni nanosheets stock oplossing (stap 1.7). (bijv. 1,02 mL voor 40 wt%, 1,50 mL voor 50 wt%, en 2,25 mL voor 60 wt% MMMOF-membranen) in een 25 mL glazen flesje en voeg een benodigde hoeveelheid chloroform toe om een totaalvolume van 2,5 mL te bereiken.
  5. Voeg de polymeeroplossing druppelwijs toe aan de MOF-suspensie en roer het mengsel op 150 rpm gedurende minstens 150 minuten bij 35 °C.
    OPMERKING: Dit MOF- en polymeermengsel wordt een dope-oplossing genoemd.
  6. Giet de dope oplossing in een glazen Petrischaal of polytetrafluorethyleen (PTFE) schaal op een egale ondergrond.
    OPMERKING: De glazen petrischaal of PTFE-schaal moet minimaal 10 minuten in een handschoenzak worden geplaatst die vooraf is verzadigd met chloroformdamp.
  7. Bewaar het gerecht met dope oplossing in het handschoenenzakje 's nachts bij RT (25 °C).
  8. Laat langzame verdamping van chloroformoplosmiddel toe om MOF-nanobladen zelf te assembleren binnen de polymeermatrix (Figuur 3).
    OPMERKING: De in-plane uitlijning van MOF-nanosheets wordt uitgevoerd door de langzame verdamping van het oplosmiddel tijdens de membraanvoorbereiding28.
  9. Haal het vrijstaande [001]-georiënteerde MMMOF-membraan van de petrischaal met behulp van een spatel (Figuur 4).
  10. Droog het membraan 20 uur in een vacuümoven op 200 °C om eventuele restjes chloroform te verwijderen.
  11. Fabriceer AlFFIVE-1-Ni nanodeeltjes met gemengde-matrix membraan met dezelfde procedure (stappen 2.1-2.10), maar gebruik AlFFIVE-1-Ni nanodeeltjes in plaats van AlFFIVE-1-Ni nanobladen.

3. Karakterisering van [001]-georiënteerde MMMOF-membranen

  1. Verkrijg het dwarsdoorsnede scanning elektronenmicroscopie (SEM) beeld van het membraan om te bevestigen dat de (001) nanosheets uniform in het vlak zijn uitgelijnd (Figuur 5A).
    OPMERKING: Voor de meting van het SEM-beeld moet het membraan cryogeen worden gebroken in vloeibare stikstof om de microstructuren te behouden. SEM-beelden werden verkregen met Magellan 400-FEG die werkte op een versnellingsspanning van 1,5 kV en een emissiestroom van 13 pA.
  2. Evalueer de röntgendiffractie (XRD) van het membraan om de kristallografische oriëntatie van (001) nanosheet in de polymeermatrix vast te stellen (Figuur 5B).
    OPMERKING: Het [001]-georiënteerde membraan zou slechts twee grote Bragg-diffracties vertonen vanuit de twee kristallografische vlakken ([002], [004]) van de AlFFIVE-1-Ni-structuur. De XRD-gegevensverzameling werd uitgevoerd op een diffraktometer (Cu Kα = 1,54056 Å) in Bragg-Brentano θ-θ geometrie met de volgende instellingen: bedrijfsvermogen: 40 kV/40 mA; automatische divergentiespleet (bestraalde lengte = 0,6 mm), monsterhouder: platte plaat monsterhouder; temperatuur: RT; Methode: Continue-tellmethode (3° min-1); 2 bereik: 4°-40°.
  3. Voer gefocuste ionenbundel SEM (FIB-SEM) beeldanalyses uit van het georiënteerde membraan om de sterk uitgelijnde aard van nanosheets en de interne microstructuur van het membraan over een uitgestrekt gebied te verifiëren (Figuur 6).
    OPMERKING: FIB-SEM is een uitstekende karakteriseringstechniek om MOF-polymeerinterfacecompatibiliteit te identificeren.
    1. Maak een geul van ongeveer 35 μm breed op het bovenoppervlak van het MMMOF-membraan en maskeer het resterende gebied af met afgezet platina (Figuur 6A).
      1. Sputter-coaten van het membraan met \u201210 nm Iridium. Voor het malen breng je een beschermende laag van Pt (0,3-0,4 μm dikte) aan op de interessegebieden van het monster.
      2. Gebruik vervolgens de gallium (Ga+) ionenbundel FIB die werkt op 5 kV en 75-100 pA om een greppel op het bovenoppervlak van het membraan te maken.
    2. Snijd en frees het membraan met een minimale dikte van 50 nm door de FIB, werkend op ongeveer 5 kV en 25 pA (Figuur 6B).
    3. Verzamel tussen de 100 en 300 individuele SEM-micrografieën van de opeenvolgende doorsneden die aan freesen zijn onderworpen aan frees, met een vergrotingsbereik van 12.000x-45.000x, met een secundaire elektronendetector van ~1 kV (Figuur 6C).
    4. Lijn de stapeling van afbeeldingen uit op een extern kenmerk op het membraanoppervlak met behulp van een kruiscorrelatie-algoritme.
  4. Analyseer de relatieve viscositeitsveranderingen van nanosheets-polymeersuspensie (dope-oplossing) ten opzichte van de roertijd (Figuur 7).
    OPMERKING: Rheologische karakterisering is vrij eenvoudig maar effectief in het verduidelijken van de verbeterde interactie tussen MOF-nanosheets en polymeren.
  5. Verzamel spanning-rekcurves van membranen bij verschillende MOF-belastingen en bereken de Young's modulus en rekvervorming uit spanning-rekcurves.
    OPMERKING: De mechanische eigenschappen van het membraan kunnen worden beoordeeld met behulp van spannings-rek analyse.
  6. Beoordeel de MOF-nanobladbelasting in het georiënteerde membraan met behulp van thermogravimetrische analyse.
    1. Eerst activeer je ongeveer 10 mg nanosheetpoeder onder N2 en zuiver je bij 200 °C gedurende 135 minuten om activatie te garanderen.
    2. Verhoog de temperatuur tot 800 °C bij een verwarmingssnelheid van 10 °C·min−1 onder O2-stroom en houd de temperatuur 2 uur op 800 °C. Vergelijk de resterende metaaloxidemassa met de initiële geactiveerde massa van de MOF28.
    3. Gebruik hetzelfde protocol (stappen 3.6.1 en 3.6.2) voor membranen met OF nanosheets om de MOF-belasting te bepalen.
      OPMERKING: Uit de resterende metaaloxidemassa na verhitting bij 800 °C gedurende 2 uuronder O2-omgeving kan de inhoud van MOF-nanosheets in het membraan worden bepaald.

4. Beoordeel de enkelvoudige en gemengde gas-scheidingseigenschappen van georiënteerde membranen

  1. Evalueer metingen van enkelvoudige/puur gaspermeatie met behulp van een zelfgemaakte variabele druk constant-volume methode28.
    OPMERKING: Enkele gaspermeatiecondities meestal bij 35 °C en 2 bar voedingsdruk voor He, H2, CO2, O2, N2, CH4, C2H4, C2H6, C3H6 en C3H8. Er werd een zelfgemaakt gasseparatie-instrument gebruikt. Raadpleeg ons eerder gepubliceerde werk28 voor de details van de opstelling.
    1. Snijd het membraan met een mechanische pons in een cirkel/muntvorm van ongeveer 2 cm2 groot.
    2. Bevestig het membraan op de permeatiecel, plak het af met lijmaluminiumtape en sluit het af met epoxyharsen.
      OPMERKING: De membraanafdichting met epoxyhars moet zorgvuldig worden uitgevoerd om ongewenste gaatjes te voorkomen.
    3. Houd een geselecteerd deel van het membraan blootgesteld voor gaspermeatie.
    4. Meet het toegankelijke oppervlak van het membraan op gaspermeatie met een scanner en meet de membraandikte met een dieptemeter.
    5. Evacueer het permeatiesysteem bij 35 °C gedurende 12 uur voordat een permeatietest wordt uitgevoerd.
      OPMERKING: Deze stap helpt om geadsorbeerd vocht tijdens het afdichten van het membraan te verwijderen.
    6. Voer het gas aan bij 2 bar (stroomopwaartse druk) en wacht 20 minuten om de temperatuur van het permeatiesysteem in evenwicht te brengen.
    7. Bereken de permeabiliteit van één gas met behulp van de helling van de stroomafwaartse druk versus tijd (dp/dt) bij de stationaire toestand met de volgende vergelijking:
      figure-protocol-1 figure-protocol-2(1)
      OPMERKING: P verwijst naar de gaspermeabiliteit van een membraan in barrer (1 barrer = 10-10 cm3(STP)·cm-2·s-1·cmHg-1), V is het volume van de stroomafwaartse kamer (cm3), l is de membraandikte (cm), p0 is de upstreamdruk (cmHg), A verwijst naar het effectieve membraanoppervlak (cm2), R is de gasconstante (0,278 cm3 cmHg cm-3(STP) K-1), T is de bedrijfstemperatuur (K).
    8. Verkrijg de ideale selectiviteit (SA/B) van gas A tot gas B met behulp van de volgende vergelijking:
      figure-protocol-3(2)
      OPMERKING: PA en PB duiden respectievelijk de permeabiliteit van gassen A en B aan.
  2. Evalueer metingen van gemengde gaspermeatie.
    1. Gebruik het binaire gasmengsel (CO2/CH4:10/90; 20/80 en 50/50) en/of het terzijdige gasmengsel (H2S/CO2/CH4:1/9/90; 2/18/80 en 5/5/90) voor gemengde gasscheidingstesten.
    2. Gebruik aangepaste single-gas permeatieapparatuur voor meting van gemengde gaspermeatie, die geïntegreerd moet worden met micro-gas chromatografie (Agilent 490 Micro-GC)28.
      OPMERKING: De menggasvoeding kan worden gevarieerd van 2-30 bar en temperatuur 25-100 °C.
    3. Houd de stage-cut (de debietverhouding van permeaat tot voeding) onder de 1%.
      OPMERKING: De gasconcentratiepolarisatie aan de bovenstroomzijde van het membraan kan op deze manier worden omzeild, en het zal ook de constante drijvende kracht over het membraan tijdens de gaspermeatiestudie behouden.
    4. Laat het gasmengsel door het membraan doordringen totdat een stationaire permeatiesnelheid is bereikt, meestal boven de 5-tijdvertragingen.
    5. Verwijder het permeaatmengsel en verzamel het gasmengsel vervolgens onder stabiele omstandigheden.
    6. Verdun het permeaatgas met He-gas en analyseer het gasmengsel met een Micro-GC.
    7. Bereken de gemengde gaspermeabiliteit van component i (Pi) met behulp van de volgende vergelijking.
      figure-protocol-4(3)
      OPMERKING: y en x zijn respectievelijk de molfracties in permeaat en voeding, en p0 is de voedingsdruk van component i.
    8. Analyseer de gemengde gasselectiviteit (Si/j) met behulp van de verhouding van de permeabiliteit van twee componenten, i en j.
      figure-protocol-5(4)

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

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

Georiënteerde nanosheet-fillers (Figuur 1) hebben intrinsiek verschillende voordelen in MMM's vergeleken met nanodeeltjes. Het relatief grote externe oppervlak en de verminderde microporiediffusieafstand van nanosheets bevorderen de gasdiffusie richtingsgericht met behouden moleculaire discriminatie (Figuur 2). Het relatief grote externe oppervlak van nanosheets ten opzichte van nanodeeltjes biedt een grotere verbetering van de ...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

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

De synthese van georiënteerde MOF-nanosheets met een hoge aspectverhouding is opmerkelijk uitdagend. In tegenstelling tot andere toepassingen moeten MOF-nanosheets voor gasscheiding worden gesynthetiseerd zonder oppervlakteactieve en/of sjabloon om ongewenste stoffen op het oppervlak van MOF-nanosheets te voorkomen. Daarnaast moeten de kanalen/poriën van nanosheets buiten de vlakrichting worden georiënteerd om gasdiffusie richtingsgewijs te bevorderen. Elke MOF-structuur heeft een ander ...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

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

De auteurs hebben niets te onthullen.

Dankbetuigingen

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

Dit onderzoek werd ondersteund door de King Abdullah University of Science and Technology (KAUST). S.J.D. en M.E. erkennen steun van KAUST.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Aluminium (III) hydroxide hydraat Aldrich1330-44-5
Bruker D8 AdvanceBrukerNARöntgendiffractometer 
CAP-2000+ ViscometerAMETEK BrookfieldNAReologische karakterisering
Chloroform (99,8%)Sigma-Aldrich67-66-3
CO2/CH4 : 50/50, 20/80, 10/90 en H2S/CO2/CH4 = 1/9/90, 2/18/80, 5/5/90 Air Liquid en AHGNA
Dichloormethaan (99,9%)Sigma-Aldrich75-09-2
Ethanol (99,7%)VWR64-17-5
H2 (99,999%), N2 (99,999%), CO2 (99,999%), CH4 (99,999%), C3H6 (99,5%), C3H8 (99,5%) Air Liquid en AHGNA
Helios G4 UX DualBeam microscoopThermoFisherNAFIB-SEM 
Zelfgebouwde gasscheidingsinstrumentenNANAZie ref. 28 voor details over het opzetten
Fluorwaterstofzuur (48 wt% in water)Sigma-Aldrich7664-39-3
Magellan 400-FEGThermoFisherNASEM-beelden 
Nikkel (II) acetaat tetrahydraat (99%)Organics6018-89-9
Polyimide 6FDA-DAM (Mw = 330 kDa, PDI: 2,48)Akron Polymer Systems, Inc.NA
Pyrazijn (99%)Aldrich290-37-9
TA Q-5000 analyzerTA InstrumentsNATGA 
Tetrahydrofuraan (99%)Sigma-Aldrich109-99-9

Referenties

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. U.S. Department of Energy (DOE). Materials for Separation Technology: Energy and Emission Reduction Opportunities. U.S. Department of Energy (DOE). , (2005).
  2. Sholl, D. S., Lively, R. P. Seven chemical separations to change the world. Nature. 532 (7600), 435-437 (2016).
  3. Robeson, L. M. The upper bound revisited. Journal of Membrane Science. 320 (1-2), 390-400 (2008).
  4. Gin, D. L., Noble, R. D. Designing the next generation of chemical separation membranes. Science. 332 (6030), 674-676 (2011).
  5. Koros, W. J., Zhang, C. Materials for next-generation molecularly selective synthetic membranes. Nature. Materials. 16, 289-297 (2017).
  6. Dechnik, J., Gascon, J., Doonan, C. J., Janiak, C., Sumby, C. J. Mixed-matrix membranes. Angewandte Chemie International Edition. 56 (32), 9292-9310 (2017).
  7. Chuah, C. Y., et al. Harnessing filler materials for enhancing biogas separation membranes. Chemical Reviews. 118 (18), 8655-8769 (2018).
  8. Dong, G., Lia, H., Chen, V. Challenges and opportunities for mixed-matrix membranes for gas separation. Journal of Materials Chemistry A. 1, 4610-4630 (2013).
  9. Kitagawa, S., Kitaura, R., Noro, S. Functional porous coordination polymers. Angewandte Chemie International Edition. 43 (18), 2334-2375 (2004).
  10. Eddaoudi, M., et al. Modular chemistry: secondary building units as a basis for the design of highly porous and robust metal organic carboxylate frameworks. Accounts of Chemical Research. 34 (4), 319-330 (2001).
  11. Tranchemontagne, D. J., Mendoza-Cortés, J. L., O'Keeffe, M., Yaghi, O. M. Secondary building units, nets and bonding in the chemistry of metal-organic frameworks. Chemical Society Reviews. 38, 1257-1283 (2009).
  12. Gong, H., Lee, S. S., Bae, T. -H. Mixed-matrix membranes containing inorganically surface-modified 5A zeolite for enhanced CO2/CH4 separation. Microporous and Mesoporous Materials. 237, 82-89 (2017).
  13. Lin, R. -B., et al. Molecular sieving of ethylene from ethane using a rigid metal-organic framework. Nature. Materials. 17, 1128-1133 (2018).
  14. Li, L., et al. Ethane/ethylene separation in a metal-organic framework with iron-peroxo sites. Science. 362 (6413), 443-446 (2018).
  15. Chen, Z., et al. Balancing volumetric and gravimetric uptake in highly porous materials for clean energy. Science. 368 (6488), 297-303 (2020).
  16. Bachman, J. E., Smith, Z. P., Li, T., Xu, T., Long, J. R. Enhanced ethylene separation and plasticization resistance in polymer membranes incorporating metal-organic framework nanocrystals. Nature. Materials. 15, 845-849 (2016).
  17. Liu, G., et al. Mixed matrix formulations with MOF molecular sieving for key energy-intensive separations. Nature Materials. 17, 283-289 (2018).
  18. Knebel, A., et al. Solution processable metal-organic frameworks for mixed matrix membranes using porous liquids. Nature Materials. 19, 1346-1353 (2020).
  19. Park, H. B., Kamcev, J., Robeson, L. M., Elimelech, M., Freeman, B. D. Maximizing the right stuff: The trade-off between membrane permeability and selectivity. Science. 356 (6343), (2017).
  20. Peng, Y., et al. Metal-organic framework nanosheets as building blocks for molecular sieving membranes. Science. 346 (6215), 1356-1359 (2014).
  21. Rodenas, T., et al. Metal-organic framework nanosheets in polymer composite materials for gas separation. Nature Materials. 14, 48-55 (2015).
  22. Yang, Y., Goh, K., Wang, R., Bae, T. -H. High-performance nanocomposite membranes realized by efficient molecular sieving with CuBDC nanosheets. Chemical Communications. 53, 4254-4257 (2017).
  23. Shete, M., et al. On the direct synthesis of Cu(BDC) MOF nanosheets and their performance in mixed matrix membranes. Journal of Membrane Science. 549, 312-320 (2018).
  24. Pustovarenko, A., et al. Nanosheets of nonlayered aluminum metal-organic frameworks through a surfactant-assisted method. Advanced Materials. 30 (26), 1707234(2018).
  25. Cadiau, A., et al. Hydrolytically stable fluorinated metal-organic frameworks for energy-efficient dehydration. Science. 356 (6339), 731-735 (2017).
  26. Belmabkhout, Y., et al. Natural gas upgrading using a fluorinated MOF with tuned H2S and CO2 adsorption selectivity. Nature Energy. 3, 1059-1066 (2018).
  27. Li, Y. -Z., Fu, Z. -H., Xu, G. Metal-organic framework nanosheets: Preparation and applications. Coordination Chemistry Reviews. 388, 79-106 (2019).
  28. Datta, S. J., et al. Rational design of mixed-matrix metal-organic framework membranes for molecular separations. Science. 376 (6597), 1080-1087 (2022).
  29. Liu, G., et al. Zeolite-like MOF nanocrystals incorporated 6FDA-polyimide mixed-matrix membranes for CO2/CH4 separation. Journal of Membrane Science. 565, 186-193 (2018).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Mixed matrixmembranenmetaal organische raamwerkenmembraanfabricagescheiding van gasmengselsMOF nanovelletjespolymeermatrixmoleculaire zevingscheiding van waterstofsulfidescheiding van kooldioxide

Gerelateerde artikelen