Krystalizacja elektroforetyczna ultracienkich, wysokowydajnych membran metaloorganicznych

Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytanie w syntezie polikrystalicznych warstw MOF, takie jak sposób powtarzalnej syntezy membran MOF. Główną zaletą tej techniki jest to, że możemy kontrolować heterogeniczne zarodkowanie na szerokim zakresie podłoży, co prowadzi do uzyskania ultracienkich, pozbawionych otworków warstw MOF. Z pomocą inżynierii krystalicznej obejmującej kontrolowane zarodkowanie i wzrost, dążymy do uproszczenia protokołu syntezy folii MOF.

Najpierw pokrój folię miedzianą o wysokiej czystości na kawałki o wymiarach cztery na cztery centymetry. Dla ułatwienia zaciśnięcia wyciętej folii za pomocą zestawu miedzianych zacisków krokodylkowych narysuj linię 0,5 centymetra od jednej z krawędzi każdej kwadratowej folii. Następnie spłaszcz każdą folię za pomocą cylindrycznego wałka na czystej powierzchni.

Folie miedziane należy dokładnie oczyścić przez sonikację kąpieli w acetonie przez 15 minut, a następnie sonikację w kąpieli w izopropanolu przez 15 minut. Następnie wysusz folie miedziane w szklanym naczyniu. Ostrożnie umieść żądane podłoże na środku elektrody miedzianej za pomocą taśmy.

Płucz zespół elektrody podłoża przez jedną minutę wodą, następnie izopropanolem i ponownie wodą. Następnie przymocuj gołą elektrodę miedzianą do anody. Następnie przymocuj zespół elektrody podłoża do katody.

Umieść dwie elektrody w szklanej zlewce o pojemności 100 mililitrów i dostosuj odległość między nimi do jednego centymetra. Dodaj 31,6 grama sześciowodnego roztworu i 35 gramów roztworu benzimidazolu do 100-mililitrowej zlewki i mieszaj przez 30 sekund w temperaturze pokojowej, aby utworzyć zol prekursorowy. Przenieść zol prekursora do zlewki zawierającej elektrody.

Następnie zanurz obie elektrody do znaku 3,5 centymetra, regulując wysokość zlewki. Przeprowadzaj osadzanie elektroforetyczne przy napięciu osadzania jednego wolta przez cztery minuty, włączając zasilanie źródła zasilania. Pod koniec osadzania należy powoli opuścić zlewkę, aby uniknąć zakłócenia słabej przyczepności między świeżo osadzonymi jądrami a podłożem.

Po wysuszeniu podłoża przenieś je na mikroskopijne szkiełko za pomocą taśmy, aby utrzymać podłoże na miejscu. Aby uzyskać wzrost kryształów, wymieszaj 31,6 grama sześciowodnego roztworu i 35 gramów roztworu 2-metyloimidazolu w 100-mililitrowej zlewce. Umieścić mikroskopijne szkiełko z substratem pionowo w roztworze prekursora i pozostawić w spokoju na 10 godzin w temperaturze 30 stopni Celsjusza.

Po 10 godzinach wzrostu kryształów płucz podłoże wodą przez 30 minut. Następnie wysuszyć podłoże w czystej atmosferze. Aby przygotować szczeliwo, dokładnie wymieszaj równą proporcję żywicy epoksydowej i utwardzacza i pozostaw mieszaninę na godzinę.

Umieść membranę ZIF-8 na stalowym dysku o szerokości 24 milimetrów z otworem o średnicy pięciu milimetrów pośrodku. Nałóż żywicę epoksydową wzdłuż krawędzi podłoża, a następnie przykryj podłoże, z wyjątkiem otworu o średnicy pięciu milimetrów pośrodku. Po pozostawieniu żywicy epoksydowej do wyschnięcia przez noc użyj mikroskopu stereoskopowego, aby zeskanować membranę wraz ze znaną skalą odniesienia.

Użyj oprogramowania graficznego, aby obliczyć naświetlony obszar membrany na podstawie zeskanowanego obrazu. Następnie umieść stalowy krążek z membraną w komorze przepuszczalnej ze stali nierdzewnej i umieść komórkę w piekarniku. Upewnij się, że jest szczelnie dopasowany, umieszczając O-ringi z Vitonu powyżej i poniżej stalowej tarczy i dokręcając.

Ustaw natężenie przepływu gazu na paszy i bokach zamiatania na 30 mililitrów na minutę. Aby usunąć wchłoniętą wodę podczas syntezy, podgrzej komórkę membrany, używając wodoru jako gazu zasilającego i argonu jako gazu wymiatającego w temperaturze 130 stopni Celsjusza przez dwie godziny. Utrzymuj ciśnienie 0,1 megapaskali po stronie zasilania i zamiatania, regulując zawory iglicowe odpowiednio po stronie retentatu i permeatu.

Zmień przepływ gazu po stronie zasilającej na gaz docelowy i ustaw natężenie przepływu gazu na 30 mililitrów na minutę. Ustaw temperaturę piekarnika na żądaną temperaturę. Następnie oblicz przepuszczalność w programie Excel po ustaleniu stanu ustalonego zgodnie z danymi ze spektrum mas.

Obrazy SEM i wzorce XRD pokazują, że warstwa jąder ZIF-8 jest zwarta i pokazuje, że metoda ENACT jest dość skuteczna w kontrolowaniu heterogenicznej gęstości zarodkowania na substracie. Po wzroście morfologia filmu obserwowana przez SEM jest zwarta i wolna od otworków i wydaje się być silnie przerośnięta. Przedstawiono tutaj morfologie powierzchni i przekroju poprzecznego nośnika AAO, membrany ZIF-8/AAO, podpory PAN i membrany ZIF-8/PAN.

Dane dotyczące trwałości gazów w membranach ZIF-8/AAO i ZIF-8/PAN pokazują, że ich selektywność wodorowo-propanu wynosi odpowiednio 2700 i 190, co dowodzi, że folia MOF jest prawie wolna od wad. Membrana ZIF-8/AAO wykazuje ultra wysoką przepuszczalność wodoru ze względu na ultra cienką grubość. Podczas próby tej procedury ważne jest, aby poczekać na indukcję kryształów przed zastosowaniem osadzania elektroforetycznego.

Na przykład indukcję kryształów można potwierdzić, badając prekursor zol w transmisyjnym mikroskopie elektronowym. Protokół ten pozwala na precyzyjną kontrolę niejednorodnej gęstości zarodkowania i grubości warstwy jąder poprzez proste kontrolowanie pola elektrycznego i czasu osadzania elektroforetycznego i może być rozszerzony o syntezę warstw polikrystalicznych o różnych strukturach. Opracowanie tej techniki utorowało nam drogę do prowadzenia systematycznych badań nad inżynierią folii MOF o grubości poniżej 100 nanometrów.

Nie zapominaj, że praca z metyloimidazolem i azotanem może być niebezpieczna, a podczas wykonywania tej procedury należy zawsze podejmować środki ostrożności, takie jak noszenie rękawiczek i praca w dygestorium.