Электрофоретическая кристаллизации ультратонкий высокопроизводительный металлоорганических Framework мембран

Этот метод может помочь ответить на ключевой вопрос в синтезе поликристаллических MOF-пленок, например, как воспроизводимый синтез MOF-мембран. Основное преимущество этого метода заключается в том, что мы можем контролировать гетерогенное зародышеобразование на широком спектре подложек, что приводит к получению ультратонких пленок MOF без точечных отверстий. С помощью кристаллотехники, включающей контролируемое зарождение и рост, мы стремимся упростить протокол синтеза пленок MOF.

Сначала разрежьте медную фольгу высокой чистоты на четыре на четыре сантиметра. Для удобства зажима отрезанной фольги с помощью набора медных зажимов типа «крокодил» проведите линию в 0,5 сантиметра от одного из краев каждой квадратной фольги. Затем разровняйте каждую фольгу с помощью цилиндрического валика на чистой поверхности.

Тщательно очистите медную фольгу ультразвуковой обработкой в ацетоне в течение 15 минут, а затем ультразвуковой обработкой изопропанола в течение 15 минут. Затем просушите медную фольгу в стеклянной посуде. Аккуратно расположите нужную подложку по центру медного электрода с помощью ленты.

Промойте электрод в сборе подложки в течение одной минуты водой, затем изопропанолом и снова водой. После этого прикрепите оголенный медный электрод к аноду. Затем прикрепите электрод в сборе подложки к катоду.

Поместите два электрода в стеклянный стакан объемом 100 миллилитров и отрегулируйте расстояние между ними с точностью до одного сантиметра. Добавьте 31,6 грамма раствора гексагидрата цинка и 35 грамм раствора бензимидазола в стакан объемом 100 миллилитров и перемешивайте в течение 30 секунд при комнатной температуре, чтобы образовался прекурсор золь. Перенесите соль-прекурсор в стакан, содержащий электроды.

Затем погрузите оба электрода на отметку 3,5 сантиметра, регулируя высоту стакана. Провести электрофоретическое осаждение с напряжением напыления в один вольт в течение четырех минут путем включения питания источника питания. По окончании осаждения опускайте стакан медленно, чтобы не нарушать слабую адгезию между свежеотложившимися ядрами и субстратом.

После высыхания субстрата перенесите его на предметное стекло под микроскоп с помощью ленты, чтобы удерживать подложку на месте. Для роста кристаллов смешайте 31,6 грамма раствора гексагидрата цинка и 35 грамм раствора 2-Метилимидазола в стакане объемом 100 миллилитров. Поместите предметное стекло с подложкой вертикально в раствор прекурсора и оставьте его в покое на 10 часов при температуре 30 градусов Цельсия.

После 10 часов роста кристаллов промойте субстрат водой в течение 30 минут. Затем высушите субстрат в чистой атмосфере. Для приготовления герметика тщательно смешайте в равных пропорциях эпоксидную смолу и отвердитель и оставьте смесь на один час.

Поместите мембрану ЗИФ-8 на стальной диск шириной 24 миллиметра с отверстием диаметром пять миллиметров в центре. Нанесите эпоксидную смолу по краям основания и впоследствии покройте подложку, за исключением отверстия диаметром пять миллиметров в центре. После того, как эпоксидная смола высохнет в течение ночи, используйте стереомикроскоп для сканирования мембраны вместе с известным эталонным масштабом.

Используйте графическое программное обеспечение для расчета открытой площади мембраны по отсканированному изображению. Затем поместите стальной диск с мембраной в проникающую ячейку из нержавеющей стали и поместите ячейку в духовку. Обеспечьте герметичное прилегание, разместив уплотнительные кольца из витона над и под стальным диском и закрепив винты.

Установите скорость потока газа на подающей и развертальной сторонах на 30 миллилитров в минуту. Чтобы удалить поглощенную воду во время синтеза, нагрейте мембранную ячейку, используя водород в качестве исходного газа и аргон в качестве этого газа, очистите газ при температуре 130 градусов Цельсия в течение двух часов. Поддерживайте давление 0,1 мегапаскаль на стороне подачи и развертки, регулируя игольчатые клапаны на стороне ретентата и пермеата соответственно.

Измените расход газа на стороне подачи на целевой газ и установите расход газа на 30 миллилитров в минуту. Установите температуру духовки на нужную температуру. Затем рассчитайте проницаемость в Excel, как только установится устойчивое состояние в соответствии с данными из массового спектра.

Изображения SEM и рентгеноструктурные диаграммы показывают, что пленка ядер ZIF-8 компактна, и демонстрируют, что метод ENACT довольно эффективен в контроле плотности гетерогенного зародышеобразования на подложке. После роста морфология пленки, наблюдаемая с помощью SEM, компактна, лишена точечных отверстий и, по-видимому, сильно разрастается. Здесь показана морфология поверхности и поперечного сечения опоры ААО, мембраны ЗИФ-8/ААО, опоры ПАН и мембраны ЗИФ-8/ПАН.

Данные о газовой стойкости мембран ZIF-8/AAO и ZIF-8/PAN показывают, что их селективность по пропану водорода составляет 2700 и 190 соответственно, что доказывает, что пленка MOF практически не имеет дефектов. Мембрана ZIF-8/AAO демонстрирует сверхвысокую проницаемость водорода благодаря ультратонкой толщине. При попытке выполнить эту процедуру важно дождаться индукции кристаллов, прежде чем применять электрофоретическое осаждение.

Например, индукцию кристаллов можно ратифицировать, изучив золь-предшественник в просвечивающем электронном микроскопе. Этот протокол позволяет точно управлять гетерогенной плотностью зародышеобразования и толщиной пленки ядер, просто управляя электрическим полем и временем электрофоретического осаждения, и может быть расширен для синтеза поликристаллических пленок различных структур. После развития этой технологии это открыло нам путь к проведению систематических исследований по созданию МОФ пленок толщиной менее 100 нанометров.

Не забывайте, что работа с метилимидазолом и нитратом цинка может быть опасной, и при выполнении этой процедуры всегда следует соблюдать меры предосторожности, такие как ношение перчаток и работа в вытяжном шкафу.