Artykuł metodologiczny

Wytwarzanie zorientowanych membran metalowo-organicznych o mieszanej matrycy do separacji molekularnej

DOI:

10.3791/65454

⸱

6 lutego 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

W tym artykule

Podsumowanie

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

Tutaj opisujemy protokół wytwarzania mieszanych membran matrycowych (MMM) poprzez integrację wysoce selektywnych wypełniaczy sita molekularnego (tutaj MOFs) z łatwą do przetwarzania matrycy polimerowej, co oferuje obiecujące podejście do łączenia najlepszych właściwości obu materiałów oraz wytwarzania zaawansowanych membran hybrydowych o wyjątkowych właściwościach separacji gazów.

Streszczenie

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

Dążenie do energooszczędnych separacji jest niezwykle ważne. Separacja oparta na membranach może złagodzić nadmierne obciążenia energetyczne związane z rozdzieleniami. Membrany mieszane matrycowe (MMM), łączące łatwo przetwarzalne polimery i wysoce selektywne adsorbenty, oferują duży potencjał do przekładania niezwykłych właściwości separacyjnych adsorbentów na matrycę przetwarzalną. Niniejszy manuskrypt opisuje szczegółową metodologię wytwarzania zorientowanych membran metalowo-organicznych (MMMOF) o mieszanej matrycy oraz ich późniejsze zastosowanie w różnych przemysłowych ważnych i bardzo wymagających separacjach mieszanin gazowych. Zorientowana membrana MMMOF została wykonana na podstawie trzech kluczowych i powiązanych kryteriów: (i) wypełniacz molekularnego sita MOF posiada optymalny rozmiar i kształt porów, funkcjonalność oraz interakcję host-gość, która selektywnie ułatwia dyfuzję pożądanej cząsteczki gazu nad innymi; (ii) opanowane sterowanie syntezą morfologii kryształów MOF w określonym kierunku krystalograficznym w nanoarkuszach o wysokim współczynniku wychylenia, które zapewniają maksymalną dostępność kanałów/porów oraz poprawiają kompatybilność interfejsu nanoarkuszy z polimerem, umożliwiając wysokie obciążenie nanoarkuszy; oraz (iii) możliwy kontrolowany zespół (wyrównanie w płaszczyźnie) nanoarkuszy MOF w matrycy polimerowej, aby przełożyć odrębne właściwości przesiewania molekularnych nanoarkuszy MOF do matrycy przetwarzalnej jako formę membrany MMMOF. Membrana wykazywała niezrównane rozdzielenie siarkowodoru i dwutlenku węgla z gazu ziemnego pod wysokim ciśnieniem i wysoką temperaturą. Metody, które tu przedstawiliśmy, mają duży potencjał do rozwoju różnych wysokowydajnych membran, które pomogą rozwiązać kluczowe rozdziały przemysłowe.

Wprowadzenie

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

Separacje chemiczne są bardzo energochłonne i zużywają około 50% światowej energii przemysłowej 1,2. Procesy separacji oparte na membranach są bardzo energooszczędne w porównaniu do konwencjonalnej destylacji kriogenicznej i/lub separacji adsorpcyjnej. Czyste membrany polimerowe często cierpią na zachowanie kompromisowe (związek między przepuszczalnością a selektywnością) znane jako górna granica Robesona 3,4. Membrany mieszane matrycowe (MMM), łączące korzyści z selektywnych adsorbentów (efekty przesiewania molekularnego i zwiększone właściwości dyfuzji gazów) oraz polimerów (łatwa przetworzalność roztworu), są uważane za czynniki rozdzielające perspektywy w kierunku energooszczędnych i ekologicznie zrównoważonych technologii 5,6,7. Niemniej jednak skuteczne przekształcenie odrębnych właściwości separacyjnych adsorbentów do matrycy przetwarzalnej jako formy membran mieszanych pozostaje istotnym wyzwaniem ze względu na silne aglomeracje i sedymentację wypełniaczy wewnątrz matrycy polimerowej oraz problem z niezgodnością między stykiem wypełniacza i polimeru. W wyniku tych wyzwań utrudnione są uzyskanie wysoce selektywnych membran, a właściwości mechaniczne membran są ograniczone8.

Aby rozwiązać problem kompatybilności, do sprzyjania przylegania matrycy polimerowej stosuje się porowaty adsorbent zawierający części organiczne. Metal-organiczne ramy (MOFs), klasa strojonych hybrydowych materiałów w stanie stałym składająca się z metalowych węzłów lub klastrów metali skoordynowanych do wielofunkcyjnych organicznych łączników 9,10,11, mają oferować lepszą kompatybilność z matrycą polimerową w porównaniu do czystych nieorganicznych zeolitów12. Warto zauważyć, że MOF zyskały znaczną uwagę jako doskonałe adsorbenty do selektywnego separowania gazów 13,14,15.

Zgłaszano różne MMM z wykorzystaniem wypełniaczy izotropowych lub bliskich izotropowym (np. nanocząsteczki). Wypełniacze stosowane oprócz MOF to zeolity, mezoporowa krzemionka oraz kowalencyjne struktury organiczne (COFs)5,6,7. Niemniej jednak tylko ograniczone MMM wykazują równoczesną poprawę selektywności i przepuszczalności 16,17,18.

Oczywiście wprowadzenie wypełniaczy o morfologiach nieizotropowych, takich jak nanoarkusze o wysokim współczynniku aspektów, jest niezbędne do budowy wysokowydajnych MMM-ów19. Stosunkowo duża powierzchnia zewnętrzna oraz skrócona długość dyfuzji mikroporów nanoarkuszy kierunkowo sprzyjają dyfuzji gazowej przy zachowaniu rozróżnienia molekularnego, co zapewnia znaczny wzrost zarówno przepuszczalności, jak i selektywności20. Co istotne, duże powierzchnie powierzchniowe nanoarkuszy znacząco poprawiłyby kompatybilność interfejsu nano-polimer w porównaniu z nanocząstkami. Należy zauważyć, że nanoarkusze Cu-BDC 21,22,23 oraz NH 2-MIL-53(Al)24 MOF były używane jako wypełniacze w MMM; nietypowo te membrany wykazywały umiarkowaną poprawę selektywności kosztem przepuszczalności, co podkreśla kluczowe znaczenie prawidłowego wyrównania nanoarkuszy w matrycy polimerowej. Wraz z produkcją nanoarkuszy o wysokim współczynniku sfer wysokowydajnych MOF, niezbędne jest opracowanie odpowiedniej metodologii, która zapewni kluczowe wyrównanie nanoarkuszy wewnątrz matrycy polimerowej. Szczególnie ważne jest dążenie do nowego protokołu syntetycznego, który pozwoli wyodrębnić wybrane struktury MOF jako nanoarkusze, ponieważ wiele skurczonych porowych struktur MOF ma unikalne właściwości adsorpcyjne i dyfuzyjne25,26, ale nie są one kompatybilne z konwencjonalnymi metodami złuszczania27.

Oprócz morfologii nanoarkuszy MOF oraz prawidłowego wyrównania nanoarkuszy MOF wewnątrz matrycy polimerowej, rozważny wybór wypełniacza MOF i pary polimerowej jest również niezwykle ważnym parametrem do skonstruowania wysokowydajnego MMM. Należy zauważyć, że te dwa składniki mogą mieć bardzo różną przepuszczalność i selektywność wewnętrzną. Dlatego jeśli MMM jest wytwarzany z użyciem stosunkowo niskoprzepuszczalnego wypełniacza MOF z wysokoprzepuszczalnym polimerem, to MOF będzie miał minimalny wpływ na separację gazów, ponieważ cząsteczki gazu częściej dyfundują/przenikają przez fazę polimerową. Natomiast MOF o wysokiej przepuszczalności, natomiast wykonany MMM z bardzo niskim przepuszczalnym polimerem prowadzi do separacji gazów zdominowanej przez polimery.

Niniejszy artykuł opisuje koncepcję i konstrukcję zorientowanej membrany metalowo-organicznej (MMMOF) o mieszanej matrycy opartej na trzech kluczowych kryteriach: (i) AlFFIVE-1-Ni [NiAlF5(H,2O)(pyr)2] jako zaawansowane wypełniacze sita molekularnego o odpowiedniej strukturze porów, które ułatwia transport/dyfuzję gazów docelowych (CO2 iH2S), jednocześnie utrudniając dyfuzję innych gazów (CH4 lub większą cząsteczkę); (ii) dostosowanie morfologii kryształu AlFFIF-1-Ni MOF wzdłuż określonego kierunku krystalograficznego, aby zmaksymalizować ekspozycję układu porów/kanałów (nanoarkusze o wysokim współczynniku wymiaru); (iii) wyrównanie nanoarkuszy wewnątrz matrycy polimerowej w płaszczyźnie oraz przekształcenie niezwykłych właściwości separacji/sitowania molekularnych dyskretnych nanoarkuszy na makroskopową membranę ciągłą28.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

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

1. Przygotowanie nanoarkusza AlFFIVE-1-Ni MOF zorientowanego na (001) (Rysunek 1)

UWAGA: (001) zorientowana nanoarkusz AlFFIF-1-Ni można syntetyzować przez połączenie dwóch różnych roztworów zawierających prekursory: (i) roztwór metalu i ligandu oraz (ii) roztwór filarowy pod reakcją solvotermiczną28.

  1. Przygotuj roztwór metalu i ligandu, rozpuszczając 1,80 g piryzyny (22,03 mmol) i 2,20 g tetrahydratu octanowego niklu (8,84 mmol) w 9 mL mieszaniny 2:1 (v/v) etanolu-H2O przezsonikację przez 3 minuty.
  2. Przygotuj roztwór filarowy [AlF5(H2O)]2-, rozpuszczając 0,32 g wodorotlenku glinu (4,10 mmol) w 4 mL mieszaniny 3:1 (v/v) HF-H2O przez sonakację przez 2 minuty w temperaturze pokojowej (RT; 25 °C).
  3. Połącz metal, ligand i filary zawierające roztwory i sonikuj mieszankę przez 3 minuty.
    UWAGA: Częstotliwość sonifikacji dla kroków 1.1-1.3 wynosi 20 kHz.
  4. Wykonaj reakcję solvotermiczną w temperaturze 50 °C przez 3 dni w warunkach statycznych.
    UWAGA: Reakcję solvotermiczną można przeprowadzić w stożkowej rurce o pojemności 50 mL w podgrzanym piekarniku.
  5. Zbierz nanoarkusz AlFFIF-1-Ni MOF z siłą odśrodkową 1789 x g przez 5 minut.
  6. Umyć nanoarkusz MOF 300 mL wody i przemyć 60 mL etanolu.
  7. Przygotuj roztwór nanoarkusza AlFFFIVE-1-Ni, rozpraszając nanoarkusz w wymaganej ilości chloroformu i regulując stężenie nanoarkusza do około 100 mg roztworu MOF/mL.
    UWAGA: Aby zapobiec aglomeracji, nie susz nanoarkusza przed przygotowaniem membrany.
  8. Przygotuj nanocząstki AlFFfive-1-Ni, używając 8,85 mmolu roztworu filarowego [AlF5(H2O)]2-filarowego zamiast 4,10 mmolu [AlF5(H2O)]2-filarowego roztworu28.

2. Wytwarzanie membrany o mieszanej matrycy metalowo-organicznej (MMMOF) zorientowanej na [001]

  1. Użyj chloroformu jako medium dyspersercyjnego do wyrównania nanoarkuszy wewnątrz matrycy polimerowej (Rysunek 2).
    UWAGA: Ośrodki dysperseracyjne odgrywają kluczową rolę w wytwarzaniu wolnej od wad membrany mieszanej matrycy.
  2. Wykonaj metodę odlewania roztworu, aby wyprodukować membrany MMMOF o orientacji [001] o różnych grubościach.
  3. Przygotuj roztwór polimerowy, rozpuszczając 150 mg suszonych poliimidów (6FDA-DAM) w 2 mL chloroformu przez potrząsanie na mechanicznym shakerze przez 3 godziny w stanie RT.
  4. Weź wymaganą ilość aliquotu z roztworu materiałowego nanoarkuszy AlFFFIVE-1-Ni (krok 1.7). (np. 1,02 mL dla 40 masy, 1,50 mL dla 50% masy i 2,25 mL dla membran MMMOF o pojemności 60 mt%) w fiolce szklanej o pojemności 25 mL i dodanie wymaganej ilości chloroformu, aby uzyskać łączną objętość 2,5 mL.
  5. Roztwór polimerowy należy wsypywać krople do zawiesiny MOF i mieszać mieszankę z częstotliwością 150 obr./min przez co najmniej 150 minut w temperaturze 35 °C.
    UWAGA: Ta mieszanina MOF i polimeru nazywana jest roztworem dopingowym.
  6. Wlej roztwór dopu do szklanej miszki Petriego lub politetrafluoretylenu (PTFE) na wyrównanej powierzchni.
    UWAGA: Szklana miska Petriego lub miska PTFE musi być umieszczona w torbie rękawiczkowej nasyconej parą chloroformową na co najmniej 10 minut.
  7. Trzymaj miskę zawierającą roztwór soku w torbie na rękawiczki na noc w temperaturze RT (25 °C).
  8. Pozwól na powolne odparowanie rozpuszczalnika chloroformowego do samoorganizowania nanoarkuszy MOF wewnątrz matrycy polimerowej (Rysunek 3).
    UWAGA: Ustawienie nanoarkuszy MOF w płaszczyźnie odbywa się poprzez powolne odparowanie rozpuszczalnika podczas przygotowania membrany28.
  9. Zdejmij wolnostojącą membranę MMMOF zorientowaną na [001] z szalki Petriego za pomocą szpatułki (Rysunek 4).
  10. Susz membranę w piekarniku próżniowym w temperaturze 200 °C przez 20 godzin, aby usunąć pozostałości chloroformu.
  11. Wytwarzaj nanocząstki AlFFFIVE-1-Ni zawierające błonę mieszaną macierzową stosując tę samą procedurę (kroki 2.1-2.10), ale zamiast nanoarkuszy AlFFIF-1-Ni używaj nanocząstek AlFFIVE-1-Ni.

3. Charakterystyka membran MMMOF zorientowanych na [001]

  1. Pobierz obraz membrany z mikroskopii skaningowej (SEM), aby potwierdzić, że nanoarkusze (001) są równomiernie wyrównane w płaszczyźnie (Rysunek 5A).
    UWAGA: Przed pomiarem obrazu SEM membrana powinna zostać kriogenicznie rozbita w ciekłym azocie, aby zachować mikrostruktury. Zdjęcia SEM uzyskano za pomocą Magellana 400-FEG pracującego przy napięciu przyspieszającym 1,5 kV i prądzie emisji 13 pA.
  2. Ocena dyfrakcji rentgenowskiej (XRD) błony w celu ustalenia orientacji krystalograficznej nanowarstwa (001) w matrycy polimerowej (rysunek 5B).
    UWAGA: Membrana zorientowana na [001] powinna wykazywać tylko dwie główne dyfrakcje Bragga z dwóch płaszczyzn krystalograficznych ([002], [004]) struktury AlFFIF-1-Ni. Zbieranie danych XRD było wykonywane na dyfraktometrze (Cu Kα = 1,54056 Å) w geometrii Bragg-Brentano θ-θ przy następujących ustawieniach: moc robocza: 40 kV/40 mA; Automatyczna szczelina dywergencyjna (długość promieniowana = 0,6 mm), uchwyt próbki: uchwyt na próbkę płyty płaskiej; temperatura: RT; metoda: metoda ciągłego liczenia (3° min-1); Zakres 2: 4°-40°.
  3. Wykonaj analizę obrazów zorientowanej membrany wiązką jonów SEM (FIB-SEM), aby zweryfikować wysoko wyrównany charakter nanoarkuszy oraz wewnętrzną mikrostrukturę membrany na rozległym obszarze (rysunek 6).
    UWAGA: FIB-SEM to doskonała technika charakteryzacji do identyfikacji zgodności interfejsu MOF-polimer.
    1. Utworzenie rowu o szerokości około 35 μm na górnej powierzchni membrany MMMOF i maskowanie pozostałej powierzchni za pomocą osadzonej platyny (Rysunek 6A).
      1. Powłoka sputter pokrywa błonę irydem o średnicy ♪ nm. Przed mieleniem nałóż warstwę ochronną Pt (0,3-0,4 μm grubości) na interesujących obszarach okazki.
      2. Następnie użyj wiązki jonowej galu (Ga+) pracującej przy napięciu 5 kV i 75-100 pA, aby utworzyć rów na górnej powierzchni membrany.
    2. Rozcinaj i frezuj membranę o minimalnej grubości 50 nm za pomocą FIB, pracującej przy napięciu około 5 kV i 25 pA (Rysunek 6B).
    3. Zebrać od 100 do 300 indywidualnych mikrografii SEM kolejnych przekrojów poddanych frezowaniu w zakresie powiększenia 12 000x-45 000x, z detektorem elektronów wtórnym o napięciu ~1 kV (rysunek 6C).
    4. Ułożenie układu obrazów do zewnętrznej cechy na powierzchni błony za pomocą algorytmu korelacji krzyżowej.
  4. Przeanalizuj względne zmiany lepkości nanoarkuszy – zawiesina polimerowa (roztwór dope) względem czasu mieszania (rysunek 7).
    UWAGA: Charakterystyka reologiczna jest dość prosta, ale skuteczna w wyjaśnianiu zwiększonej interakcji między nanoarkuszami MOF a polimerami.
  5. Zbieraj krzywe naprężenia-odkształcenia błon przy różnych obciążeniach MOF i obliczaj moduł Younga oraz odkształcenie wydłużania na podstawie krzywych naprężenie-odkształcenie.
    UWAGA: Właściwości mechaniczne membrany można ocenić za pomocą analizy naprężeń i odkształceń.
  6. Oceń obciążenie nanoarkuszy MOF w zorientowanej membranie metodą analizy termograwimetrycznej.
    1. Najpierw aktywuj około 10 mg proszku nanoarkuszowego pod N2 , oczyszczając w temperaturze 200 °C przez 135 minut, aby zapewnić aktywację.
    2. Podnieś temperaturę do 800 °C z częstotliwością nagrzewania 10 °C·min−1 przy przepływieO2 i utrzymać temperaturę na 800 °C przez 2 godziny. Porównaj masę pozostałego tlenku metalu z początkową aktywną masą MOF28.
    3. Stosuj ten sam protokół (kroki 3.6.1 i 3.6.2) dla membran zawierających nanoarkusze MOF, aby określić obciążenie MOF.
      UWAGA: Na podstawie pozostałej masy tlenku metalu po podgrzewaniu w temperaturze 800 °C przez 2 godziny pod środowiskiemO2 można określić zawartość nanoarkuszy MOF w membranie.

4. Ocena właściwości separacji pojedynczych i mieszanych gazów w membranach zorientowanych

  1. Oceń pomiary przepuszczenia gazu w pojedynczym/czystym gazie za pomocą domowej metody zmiennej ciśnienia i stałej objętości28.
    UWAGA: Warunki pojedynczej przepuszczalności gazu zazwyczaj 35 °C i ciśnienie zasilania 2 bary dla He, H2, CO2, O2, N2, CH4, C2H4, C2H6, C3H6 oraz C3H8. Użyto domowego urządzenia do separacji gazów. Szczegóły dotyczące przygotowania można znaleźć w naszej wcześniej opublikowanej pracy28 .
    1. Przetnij membranę mechanicznym dziurkaczem w kształt koła/monety o rozmiarze około 2cm 2 .
    2. Zamontuj membranę na ogniwie przepuszczalnym, zamaskuj ją taśmą aluminiową klejącą i uszczelnij żywicami epoksydowymi.
      UWAGA: Uszczelnianie membrany żywicą epoksydową należy wykonać ostrożnie, aby uniknąć niepożądanych dziurków.
    3. Utrzymuj wybrany obszar błony wystawiony na przepuszczanie gazów.
    4. Zmierz dostępną powierzchnię membrany pod kątem przepuszczania gazów za pomocą skanera oraz zmierz grubość membrany za pomocą głębokomierza.
    5. Ewakuuj system przepuszczania w temperaturze 35 °C przez 12 godzin przed przeprowadzeniem jakiegokolwiek testu przepuszczania.
      UWAGA: Ten krok pomaga usunąć adsorbowaną wilgoć podczas uszczelniania membrany.
    6. Gaz podaj przy 2 barach (ciśnienie powyżej) i odczekaj 20 minut, aby wyrównać temperaturę systemu permeacyjnego.
    7. Oblicz przepuszczalność pojedynczego gazu, używając nachylenia ciśnienia w dół w porównaniu do czasu (dp/dt) w stanie stacjonarnym, za pomocą następującego równania:
      figure-protocol-1figure-protocol-2 (1)
      UWAGA: P odnosi się do przepuszczalności gazów membrany w barrer (1 barrer = 10-10 cm3(STP)·cm-2·s-1·cmHg-1), V to objętość komory dolnej (cm 3), l to grubość membrany (cm), p0 to ciśnienie górne (cmHg), A odnosi się do efektywnej powierzchni membrany (cm2), R to stała gazowa (0,278 cm3 cmHg cm-3 (STP) K-1), T to temperatura pracy (K).
    8. Uzyskaj idealną selektywność (S, A/B) gazu A do gazu B, stosując następujące równanie:
      figure-protocol-3    (2)
      UWAGA: PA i PB oznaczają przepuszczalność gazów A i B, odpowiednio.
  2. Ocena pomiarów permeacji gazów mieszanych.
    1. Do testów separacji mieszanych gazów używaj mieszanej mieszanki mieszanej mieszanej mieszanki z mieszanką mieszanych(CO2/CH 2/CH 2/CO2/CH 4:1/9/90; CO 2/CO 4:1/9/90; 2/18/80 i 5/5/90).
    2. Do pomiaru permeacji mieszanych gazów należy używać zmodyfikowanego sprzętu do permeacji gazów mieszanych, które musi być zintegrowane z mikrochromatografią gazową (Agilent 490 Micro-GC)28.
      UWAGA: Ciśnienie zasilania gazów mieszanych można zmieniać od 2 do 30 barów oraz temperaturę od 25 do 100 °C.
    3. Utrzymuj cięcie stopnia (stosunek przepływu permeatu do surowca) poniżej 1%.
      UWAGA: Polaryzację stężenia gazu po stronie powyżej membrany można w ten sposób obejść, a także utrzymuje stałą siłę napędową przez membranę podczas badania permeacji gazu.
    4. Pozwól mieszance gazów przenikać przez błonę aż do osiągnięcia stałej szybkości przenikania, zwykle powyżej 5-stopniowych opóźnień.
    5. Ewakuuj mieszaninę permeatową, a następnie zbieraj mieszankę gazową w warunkach ustalenia.
    6. Rozcieńcz gaz przepuszczający gazem He i przeanalizuj mieszaninę gazów za pomocą Micro-GC.
    7. Oblicz przenikanie gazów mieszanych składnika i (Pi) za pomocą następującego równania.
      figure-protocol-4    (3)
      UWAGA: y i x to ułamki molowe odpowiednio w permecie i pasze, a p0 to ciśnienie wejściowe składnika i.
    8. Przeanalizuj selektywność gazów mieszanych (Si/j) za pomocą stosunku przepuszczalności dwóch składowych, i i j.
      figure-protocol-5    (4)

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

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

Wypełniacze nanoarkuszy zorientowane (Rysunek 1) mają z natury kilka zalet w MMM w porównaniu z nanocząstkami. Stosunkowo duża powierzchnia zewnętrzna oraz zmniejszona odległość dyfuzji mikroporów nanoarkuszy sprzyjają dyfuzji gazowej przy zachowaniu rozróżnienia molekularnego (Rysunek 2). Stosunkowo duża powierzchnia nanoarkuszy w porównaniu z nanocząstkami zwiększa kompatybilność interfejsu nanoarkusz-polimer, umożliwiając wysokie obciążenie nanoarkuszy/wypełn...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

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

Synteza zorientowanych nanoarkuszy MOF o wysokim współczynniku swartości jest niezwykle wymagająca. W przeciwieństwie do innych zastosowań, nanoarkusze MOF do separacji gazów muszą być syntetyzowane bez materiału powierzchniowo czynnego i/lub szablonu, aby uniknąć niepożądanych substancji na powierzchni nanoarkuszy MOF. Dodatkowo kanały/pory nanoarkuszy powinny być skierowane poza płaszczyzną, aby sprzyjać dyfuzji gazów. Każda struktura MOF ma inny mechanizm wzrostu kryształów, dlatego ta sama procedura syntezy nie może ...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

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

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

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

Badania te były wspierane przez Uniwersytet Nauki i Technologii im. Króla Abdullaha (KAUST). S.J.D. i M.E. potwierdzają wsparcie ze strony KAUST.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Wodorotlenek glinu (III) hydratu  Aldrich1330-44-5
Bruker D8 AdvanceBrukerNADyfraktometr rentgenowski & nbsp;
Wiskometr CAP-2000+AMETEK BrookfieldNACharakterystyka reologiczna
Chloroform (99,8%)Sigma-Aldrich67-66-3
CO2/CH4 : 50/50, 20/80, 10/90 oraz H2S/CO2/CH4 = 9.01.90, 18.02.80, 5.5.90  Air Liquid i AHGNA
Dichlorometan (99,9%)Sigma-Aldrich75-09-2
Etanol (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 i AHGNA
Mikroskop Helios G4 UX DualBeamThermoFisherNAFIB-SEM 
Domowe urządzenia do separacji gazówNANAZobacz ref. 28 dla szczegółów dotyczących konfiguracji
Kwas fluorowodorowy (48% wagi w wodzie)Sigma-Aldrich7664-39-3
Magellan 400-FEGThermoFisherNASEM images 
Tetrahydrat octana niklu (II) (99%)Organizmy organiczne6018-89-9
Poliimid 6FDA-DAM (Mw = 330 kDa, PDI: 2,48)Akron Polymer Systems, Inc.NA
Pirazyna (99%)Aldrich290-37-9
Analizator TA Q-5000TA InstrumentsNATGA 
Tetrahydrofuran (99%)Sigma-Aldrich109-99-9

Bibliografia

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

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Membrany z mieszanych macierzysieci metaliczno organicznewytwarzanie membranrozdzia mieszanin gaz wnanoarkusze MOFmacierz polimerowasita molekularnerozdzia siarkowodorurozdzia dwutlenku w gla

Powiązane artykuły