Eletroforética cristalização das membranas ultrafinos estrutura Metal-orgânicos de alto desempenho

Este método pode ajudar a responder à questão-chave na síntese de filmes MOF policristalinos, como sintetizar reprodutivelmente as membranas MOF. A principal vantagem dessa técnica é que podemos controlar a nucleação heterogênea em uma ampla gama de substratos, levando a filmes MOF ultrafinos e sem orifícios. Com a ajuda da engenharia de cristais envolvendo nucleação e crescimento controlados, pretendemos simplificar o protocolo de síntese de filmes MOF.

Primeiro corte uma folha de cobre de alta pureza em pedaços de quatro por quatro centímetros. Para facilitar a fixação da folha cortada com um conjunto de clipes de crocodilo de cobre, desenhe uma linha de 0,5 centímetros de uma das bordas de cada folha quadrada. Em seguida, alise cada folha usando um rolo cilíndrico em uma superfície limpa.

Limpar bem as folhas de cobre por sonicação em acetona durante 15 minutos, seguida de sonicação em isopropanol durante 15 minutos. Em seguida, seque as folhas de cobre em um prato de vidro. Posicione cuidadosamente o substrato desejado no centro do eletrodo de cobre usando fita adesiva.

Enxágue o conjunto do eletrodo do substrato por um minuto com água, seguido de isopropanol e novamente com água. Em seguida, conecte um eletrodo de cobre nu a um ânodo. Em seguida, conecte o conjunto do eletrodo do substrato a um cátodo.

Coloque os dois eletrodos em um copo de vidro de 100 mililitros e ajuste a separação entre eles para um centímetro. Adicione 31,6 gramas de solução de hexahidrato de zinco e 35 gramas de solução de benzimidazol a um copo de 100 mililitros e mexa por 30 segundos em temperatura ambiente para formar o sol precursor. Transferir o sol precursor para o copo que contém os eléctrodos.

Em seguida, mergulhe os dois eletrodos até a marca de 3,5 centímetros, ajustando a altura do béquer. Realize a deposição eletroforética com a tensão de deposição de um volt por quatro minutos, ligando a energia da fonte de alimentação. No final da deposição, baixar o copo lentamente para evitar perturbar a fraca adesão entre os núcleos recém-depositados e o substrato.

Após a secagem do substrato, transfira-o para uma lâmina de vidro microscópica usando fita adesiva para manter o substrato no lugar. Para o crescimento de cristais, misture 31,6 gramas de solução de hexahidrato de zinco e 35 gramas de solução de 2-metilimidazol em um béquer de 100 mililitros. Coloque a lâmina de vidro microscópica com o substrato verticalmente na solução precursora e deixe-a intacta por 10 horas a 30 graus Celsius.

Após 10 horas de crescimento do cristal, enxágue o substrato com água por 30 minutos. Em seguida, seque o substrato em uma atmosfera limpa. Para preparar bem o selante, misture uma proporção igual de epóxi e endurecedor e deixe a mistura por uma hora.

Coloque a membrana ZIF-8 em um disco de aço de 24 milímetros de largura com um orifício de cinco milímetros de diâmetro no centro. Aplique o epóxi ao longo das bordas do substrato e, em seguida, cubra o substrato, exceto o orifício de cinco milímetros de diâmetro no centro. Depois de permitir que o epóxi seque durante a noite, use um estereomicroscópio para escanear a membrana junto com a escala de referência conhecida.

Use um software gráfico para calcular a área exposta da membrana a partir da imagem digitalizada. Em seguida, coloque o disco de aço com a membrana na célula de permeação de aço inoxidável e coloque a célula em um forno. Garanta um ajuste hermético colocando anéis de vedação Viton acima e abaixo do disco de aço e apertando os parafusos.

Defina as taxas de fluxo de gás nos lados de alimentação e varredura para 30 mililitros por minuto. Para remover a água absorvida durante a síntese, aqueça a célula de membrana usando hidrogênio como gás de alimentação e argônio como gás de varredura a 130 graus Celsius por duas horas. Mantenha uma pressão de 0,1 megapascal no lado de alimentação e no lado de varredura ajustando as válvulas de agulha no lado do retentado e do permeado, respectivamente.

Altere o fluxo de gás no lado de alimentação para o gás alvo e defina a vazão de gás para 30 mililitros por minuto. Defina a temperatura do forno para a temperatura desejada. Em seguida, calcule a permeabilidade no Excel assim que um estado estacionário for estabelecido de acordo com os dados do espectro de massa.

As imagens de MEV e os padrões de XRD mostram que o filme de núcleos ZIF-8 é compacto e demonstra que o método ENACT é bastante eficiente no controle da densidade de nucleação heterogênea sobre um substrato. Pós-crescimento, a morfologia do filme observada por MEV é compacta e livre de orifícios e parece ser altamente intergrown. As morfologias da superfície e da seção transversal do suporte AAO, da membrana ZIF-8/AAO, do suporte PAN e da membrana ZIF-8/PAN são mostradas aqui.

Os dados de permanência de gás das membranas ZIF-8 / AAO e ZIF-8 / PAN mostram que sua seletividade de hidrogênio propano é 2700 e 190, respectivamente, provando que o filme MOF é quase livre de defeitos. A membrana ZIF-8/AAO mostra permeância de hidrogênio ultra alta devido à espessura ultrafina. Ao tentar este procedimento, é importante esperar que a indução do cristal ocorra antes de aplicar a deposição eletroforética.

Por exemplo, a indução de cristais pode ser ratificada estudando o sol precursor em um microscópio eletrônico de transmissão. Este protocolo permite controlar com precisão a densidade de nucleação heterogênea e a espessura do filme de núcleos, simplesmente controlando o campo elétrico e o tempo de deposição eletroforética e pode ser estendido para sintetizar filmes policristalinos de várias estruturas. Após o desenvolvimento desta técnica, abriu caminho para realizarmos estudos sistemáticos sobre a engenharia de filmes MOF de espessura inferior a 100 nanômetros.

Não se esqueça de que trabalhar com metilimidazol e nitrato de zinco pode ser perigoso e precauções como usar luvas e operar em uma hotte devem sempre ser tomadas durante a realização deste procedimento.