Yöntem makalesi

Moleküler Ayrım için Yönlendirilmiş Karışık Matrisli Metal-Organik Çerçeve Zarlarının Üretimi

DOI:

10.3791/65454

⸱

6 Şubat 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

Bu makalede

Özet

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

Burada, her iki malzemenin en iyi özelliklerini birleştirmek ve gelişmiş hibrit membranlar üretmek için olağanüstü gaz ayrım performansına sahip gelişmiş hibrit membranlar üretme konusunda umut vadeden bir yaklaşım sunan, kolayca işlenebilir polimer matrisine yüksek seçici moleküler elek dolguları (burada MOF'lar) entegre ederek karışık matris membranları (MMM) üretme protokolünü tanımlıyoruz.

Özet

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

Enerji verimli ayrımlar arayışı en önemli öneme sahiptir. Membran tabanlı ayrım, ayrılmalarla ilişkili aşırı enerji cezalarını hafifletebilir. Kolayca işlenebilir polimerleri ve yüksek seçici adsorbentleri birleştiren karışık matris zarları (MMM'ler), işlenebilir matrise olağanüstü adsorbent ayırma özelliklerini aktarma konusunda büyük potansiyel sunar. Bu el yazması, yönlendirilmiş karışık matrisli metal-organik çerçeve (MMMOF) zarlarının üretimi için ayrıntılı metodolojiyi ve bunların çeşitli endüstriyel öneme sahip ve son derece zorlu gaz karışımı ayrımlarında sonraki uygulamalarını anlatır. Yönlendirilmiş MMMOF zarı, üç temel ve birbirine bağlı kritere göre üretilmiştir: (i) bir MOF moleküler elek dolgu cihazı, istenen gaz molekülünün diğerlerine karşı difuzyonunu seçici olarak kolaylaştıran optimal gözenek boyutu ve şekli, işlevsellik ve konak-misafir etkileşimine sahiptir; (ii) MOF kristal morfolojisinin önceden tanımlanmış kristalografik yönde, kanallara/gözeneklere maksimum erişimi sağlayan ve nanosheet-polimer arayüzü uyumunu artıran yüksek spektral oranlı nanoplakalara mastering edilmiş bir sentez kontrolü; ve (iii) polimer matriksindeki MOF nanoplakalarının kontrollü bir montajı (düzlem içi hizalanması), böylece MOF nanoplakalarının belirgin moleküler eleme özelliklerini işlenebilir matrise MMMOF membranı şeklinde dönüştürür. Zar, yüksek basınç ve sıcaklık altında doğal gazdan benzersiz hidrojen sülfür ve karbondioksit ayrımı sergilemiştir. Burada sunduğumuz yöntemler, önemli endüstriyel ayrılmaları ele almak için çeşitli yüksek performanslı zarların geliştirilmesi için yüksek potansiyele sahiptir.

Giriş

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

Kimyasal ayrıştırmalar son derece enerji yoğun olup, küresel endüstriyel enerjinin yaklaşık %50'sini tüketir 1,2. Membran tabanlı ayırma süreçleri, geleneksel kriyojenik damıtma ve/veya adsorpsiyonlu ayrıma ile karşılaştırıldığında oldukça enerji verimliliğine sahiptir. Saf polimer zarlar genellikle Robeson'un üstsınırı 3,4 olarak bilinen bir geçiş davranışına (geçirgenlik ile seçicilik arasındaki ilişki) sahiptir. Karışık matris zarları (MMM'ler), seçici adsorbentlerin (moleküler elek etkileri ve gelişmiş gaz difüzyon özellikleri) ile polimerlerin (kolay çözeltilebilirlik) faydalarını birleştirerek, enerji verimli ve çevresel olarak sürdürülebilir teknolojilere yönelik perspektifleri ayıran ajanlarolarak kabul edilir 5,6,7. Buna rağmen, adsorbent farklı ayırma özelliklerinin işlenebilir matrise karışık matriks membranları olarak etkili şekilde aktarılması, polimer matrisi içindeki dolguların ciddi aglomerasyonu ve sedimentasyonu ile dolgu ile polimer arayüzü arasındaki uyumsuzluk sorunu nedeniyle önemli bir zorluk olmaya devam etmektedir. Bu zorlukların bir sonucu olarak, yüksek seçici zarların elde edilmesi zorlaşır ve membranın mekanik özellikleriazalır 8.

Uyumluluk sorununu çözmek için, organik parçacıklardan oluşan gözenekli bir adsorbent, polimer matrisi ile yapışmayı teşvik etmek için uygundur. Metal-organik çerçeveler (MOF'lar), çok işlevli organik bağlantılar 9,10,11 ile koordine edilmiş metal düğümler veya metal kümelerden oluşan hibrit katı hal malzemelerinin ayarlanabilir bir sınıfıdır ve saf inorganik zeolitlere kıyasla polimer matrisi ile daha iyi uyumluluk sunmasıbeklenmektedir 12. MOF'lar, seçici gaz ayrımı için mükemmel adsorbentler olarak önemli ilgigörmüştür 13,14,15.

Çeşitli MMM'lerin izotropik veya neredeyse izotropik dolgu maddeleri (örneğin, nanopartiküller) kullanılarak kullanıldığı bildirilmiştir. MOF'lara ek olarak kullanılan dolgu maddeleri arasında zeolitler, mezoporöz silika ve kovalent-organik çerçeveler (COF'lar)5,6,7 bulunur. Buna rağmen, yalnızca sınırlı bir MMM seçicilik ve geçirgenlikte eşzamanlı bir iyileşmegösterir 16,17,18.

Görünüşe göre, yüksek aspekt oranına sahip nanoplakalar gibi izotropik olmayan morfolojilere sahip dolgu maddelerinin tanıtılması, yüksek performanslıMMMs 19 inşası için gereklidir. Nanoplakaların nispeten yüksek dış yüzey alanı ve azaltılmış mikrogözenek difüzyon uzunluğu, korunan moleküler ayrımcılıkla gaz difüzyonu yönelme olarak teşvik eder ve hem geçirgenlik hem de seçicilikte önemli bir artışsağlar 20. Önemli olarak, nanoplakaların yüksek dış yüzey alanları, nanoparçacıklara kıyasla nanotabaka-polimer arayüzü uyumunda önemli bir gelişme sağlar. Cu-BDC 21,22,23 ve NH 2-MIL-53(Al)24 MOF'un nanoplakalarının MMM'lerde dolgu olarak kullanıldığı belirtilmelidir; bu zarlar tipik olmayan şekilde geçirgenlik pahasına orta düzeyde bir seçicilik artışı göstermiş ve polimer matrisi içinde nanosheetlerin doğru hizalanmasının hayati önemini ortaya koymuştur. Yüksek performanslı MOF'ların yüksek aspekt oranlı nanoplakalarının üretimiyle birlikte, polimer matrisi içindeki nanoplakaların ana düzlem içi hizalanmasını sunabilecek uygun bir metodolojinin geliştirilmesi de gereklidir. Özellikle, seçilen MOF yapılarını nanotabaka olarak render etmek için yeni bir sentetik protokol arayışı en önemli öneme sahiptir; çünkü birçok daralmış gözenek MOF yapısı benzersiz adsorbsiyon ve difüzyon özellikleresahiptir 25,26, ancak bunlar geleneksel eksfoliasyon yöntemleriyleuyumsuzdur 27.

MOF'un nanosayfa morfolojisi ve polimer matrisi içindeki MOF nanoplakalarının doğru düzlem içi hizalanmasının yanı sıra, MOF dolgu ve polimer çiftinin dikkatli seçimi de yüksek performanslı bir MMM oluşturmak için son derece önemli bir parametredir. Bu iki bileşenin çok farklı içsel geçirgenlik ve seçiciliğe sahip olabileceği belirtilmelidir. Bu nedenle, bir MMM, nispeten düşük geçirgenli bir MOF dolgusu ve yüksek geçirgen polimer kullanılarak üretilirse, gaz ayrılması üzerinde çok az etkisi olur çünkü gaz molekülleri polimer fazından daha fazla difüzez/permeasyon yapar. Buna karşılık, yüksek geçirgenliğe sahip bir MOF ise, çok düşük geçirgen polimere sahip üretilmiş MMM polimer baskınlığı olan gaz ayrımına yol açar.

Bu el yazması, üç temel kritere dayanan yönlendirilmiş karışık matriks metal-organik çerçeve (MMMOF) zarının kavramını ve yapısını tanımlar: (i) AlFFIVE-1-Ni [NiAlF5(H2O)(pyr)2] uygun gözenek yapısına sahip gelişmiş bir moleküler elek dolgucusu olarak, hedeflenen gazların (CO2 ve H2S) taşınmasını/difüzyonunu kolaylaştırırken diğer gazların difüzyonu engeller (CH4 veya daha büyük molekül); (ii) AlFFIVE-1-Ni MOF kristal morfolojisini gözenek/kanal sisteminin (yüksek aspekt oranlı nanotabakalar) en üst düzeye çıkarılması için belirlenmiş bir kristalografik yön boyunca uyarlamak; (iii) polimer matrisi içindeki nanotabakaların düzlem içi hizalanması ve ayrık nanosheetlerin dikkat çekici moleküler ayrım/elek özelliklerini makroskopik sürekli birzara çevirmek 28.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

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

1. (001) yönlendirilmiş AlFFIVE-1-Ni MOF nanosheet'in hazırlanması (Şekil 1)

NOT: (001) yöneltilmiş AlFFIVE-1-Ni nanosheet, iki farklı öncül içeren çözelti (i) metal ve ligand çözeltisi ile (ii) sütun içeren çözelti (solvotermalreaksiyon 28) altında birleştirilerek sentezlenebilir.

  1. Metal ve ligand çözeltisi 9 mL 2:1 (v/v) etanol-H2Okarışımında sonikasyon yoluyla 3 dakika boyunca çözünerek 1,80 g pirazin (22,03 mmol) ve 2,20 g nikel asetat tetrahidrat (8,84 mmol) çözünerek hazırlanır.
  2. [AlF5(H 2O)]2-sütun çözeltisi, 0,32 g alüminyum hidroksit (4,10 mmol) 4 mL 3:1 (v/v) karışımı HF-H2Oiçinde sonikasyon ile oda sıcaklığında (RT; 25 °C) 2 dakika çözünerek hazırlanır.
  3. Metal, ligand ve çözelti içeren sütunları birleştirin ve karışımı 3 dakika sonikle geçirin.
    NOT: 1.1-1.3 adımları için sonikasyon frekansı 20 kHz'dir.
  4. 50 °C'de statik bir koşulda 3 gün boyunca solvotermal reaksiyon gerçekleştirin.
    NOT: Solvotermal reaksiyon, önceden ısıtılmış fırında 50 mL'lik konik bir tüpte gerçekleştirilebilir.
  5. AlFFIVE-1-Ni MOF nanosheet'i 1789 x g santrifüj kuvvetiyle 5 dakika boyunca toplayın.
  6. MOF nanosheet'i 300 mL suyla yıkayın ve 60 mL etanol ile yıkayın.
  7. AlFFIVE-1-Ni nanotabaka stok çözeltisi, nanotabakayı gerekli miktarda kloroformda dağıtarak ve nanotabaka konsantrasyonunu yaklaşık 100 mg MOF/mL çözeltiye olarak ayarlayarak hazırlayın.
    NOT: Agglomerasyonu önlemek için, nanosheet'i membran hazırlanmadan önce kurutmayın.
  8. AlFFIVE-1-Ni nanopartiküllerini, 4.10 mmol [AlF 5(H 2 O)]2-sütun çözeltisi 28 yerine 8.85 mmol [AlF5(H2O)]2 sütun çözeltisi kullanarak hazırlayın.

2. [001]-yönlendirilmiş karışık matrisli metal-organik çerçeve (MMMOF) zarının üretimi

  1. Polimer matrisi içindeki nanolevhaların düzlem içi hizalanması için dispersant medium olarak kloroform kullanın (Şekil 2).
    NOT: Dağıtıcı ortamlar, kusursuz karışık matriks membran üretiminde kritik bir rol oynar.
  2. Farklı kalınlıklarda [001] odaklı MMMOF membranları üretmek için çözelti döküm yöntemi uygulanır.
  3. Polimer çözeltisi, 150 mg kurutulmuş poliimidleri (6FDA-DAM) 2 mL kloroformda çözünerek mekanik bir silkeleyicide RT hızında 3 saat çalkalayarak hazırlayın.
  4. AlFFIVE-1-Ni nanosheet stok çözeltisinden gerekli miktarda aliquot alın (adım 1.7). (örneğin, 40 ağırlık için 1,02 mL, %50 ağırlık için 1,50 mL ve %60 ağırlığında MMMOF zarlar için 2,25 mL) 25 mL'lik cam şişede ve toplam hacmi 2,5 mL elde etmek için gerekli miktarda kloroform eklenerek elde edilir.
  5. Polimer çözeltisini MOF süspansiyonuna damla olarak ekleyin ve karışımı 150 rpm'de en az 150 dakika boyunca 35 °C'de karıştırın.
    NOT: Bu MOF ve polimer karışımına dope çözeltisi denir.
  6. Sıvı çözeltisi, düzleştirilmiş bir yüzeyde cam Petri kabına veya politetrafloroetilen (PTFE) kabına dök.
    NOT: Cam Petri kabı veya PTFE kabı, kloroform buharıyla önceden doymuş bir torbaya en az 10 dakika koyulmalıdır.
  7. Uyuşturucu çözeltisi içeren kabı RT (25 °C) sıcaklığında gece boyunca torpido torbasında sakla.
  8. Kloroform çözücüsünün yavaş buharlaşmasına, polimer matrisi içinde kendi kendine monte edilen MOF nanoplakalarına izin verin (Şekil 3).
    NOT: MOF nanosheetlerin düzlem içi hizası, membran hazırlığı sırasında çözücününyavaş buharlaştırılmasıyla gerçekleştirilir 28.
  9. Petri kabından serbest duran [001] yönlendirilmiş MMMOF membranını bir spatula ile soyun (Şekil 4).
  10. Membranı 200 °C'de vakum fırında 20 saat boyunca kurutarak kalıntı kloroformu giderin.
  11. Aynı prosedürle (adımlar 2.1-2.10) karışık matris membranı içeren AlFFIVE-1-Ni nanopartikülleri üretin, ancak AlFFIVE-1-Ni nanoparçacıkları yerine AlFFIVE-1-Ni nanopartikülleri kullanın.

3. [001]-odaklı MMMOF zarlarının karakterizasyonu

  1. Zarın kesit taramalı elektron mikroskopisi (SEM) görüntüsünü alın ve (001) nanoplakaların düzlem içinde eşit şekilde hizalandığını doğrulayın (Şekil 5A).
    NOT: SEM görüntü ölçümü öncesi, zar mikroyapılarını korumak için sıvı azotla kriyojenik olarak kırılmalıdır. SEM görüntüleri, 1,5 kV hızlandırma voltajı ve 13 pA emisyon akımında çalışan Magellan 400-FEG kullanılarak alınmıştır.
  2. Polimer matriksindeki (001) nanotabakanın kristallografik yönelimini belirlemek için zarın X-ışını kırınımını (XRD) değerlendirin (Şekil 5B).
    NOT: [001]-yönelmeli zar, AlFFIVE-1-Ni yapısının iki kristalografik düzleminden ([002], [004]) yalnızca iki ana Bragg kırınmasını göstermelidir. XRD veri toplama, Bragg-Brentano θ-θ geometrisinde bir difraktometrede (CuK α = 1.54056 Å) aşağıdaki ayarlarla gerçekleştirildi: çalışma gücü: 40 kV/40 mA; otomatik divergens yarığı (ışınlanmış uzunluk = 0,6 mm), numune tutucu: düz plaka numune tutucu; sıcaklık: RT; yöntem: sürekli sayım yöntemi (3° min-1); 2 menzil: 4°-40°.
  3. Yönlendirilmiş zarın odaklı iyon ışını SEM (FIB-SEM) görüntü analizleri yapılarak nanoplakaların ve membranın iç mikroyapısının geniş bir alanda yüksek hizalanmasını doğrulamak için (Şekil 6).
    NOT: FIB-SEM, MOF-POLIMER ARAYÜZÜ UYUMLULUĞUNU BELIRLEMEK IÇIN MÜKEMMEL BIR KARAKTERIZASYON TEKNIĞIDIR.
    1. MMMOF zarının üst yüzeyinde yaklaşık 35 μm genişliğinde çukur açın ve kalan alanı platin biriktirerek maskele edin (Şekil 6A).
      1. Sputter, zarı \u201210 nm Iridium ile kaplayır. Öğütmeden önce, örneğin ilgilendiği alanlara koruyucu bir Pt tabakası (0,3-0,4 μm kalınlığında) bırakın.
      2. Sonra, 5 kV ve 75-100 pA'da çalışan galyum (Ga+) ion ışını FIB'i kullanarak membranın üst yüzeyinde bir çukur oluşturun.
    2. Zarı FIB ile minimum 50 nm kalınlıkta dilimleyip öğütürün, yaklaşık 5 kV ve 25 pA ile çalışır (Şekil 6B).
    3. Ardışık kesitlerin 100 ila 300 ayrı SEM mikrografını, 12.000x-45.000x büyütme aralığında, ~1 kV'da ikincil elektron dedektörüyle (Şekil 6C) toplayın.
    4. Görüntülerin üst üste yığılmasını, çapraz korelasyon algoritması kullanarak membran yüzeyindeki harici bir özellikle hizalayın.
  4. Nanosheetler-polimer süspansiyonunun (dope çözeltisi) karıştırma süresine göre göreli viskozite değişimlerini analiz edin (Şekil 7).
    NOT: Reolojik karakterizasyon oldukça basit olsa da MOF nanoplakaları ile polimerler arasındaki gelişmiş etkileşimi aydınlatmada etkilidir.
  5. Farklı MOF yüklerinde membranların gerilme-gerilme eğrilerini toplayın ve gerilme-gerilme eğrilerinden Young modülü ve uzalma gerilmesini hesaplayın.
    NOT: Zarın mekanik özellikleri, gerilme-gerilme analiziyle değerlendirilebilir.
  6. Yönelmez membranda MOF nanoplaka yüklemesini termogravimetrik analiz yöntemiyle değerlendirin.
    1. İlk olarak, yaklaşık 10 mg nanosheet tozunu N2 altında 200 °C'de 135 dakika boyunca temizleyerek aktive edin ve aktivasyon sağlansın.
    2. O2 akışında sıcaklığı 10 °C·min−1 ısıtma hızıyla 800 °C'ye çıkarın ve sıcaklığı 2 saat boyunca 800 °C'de tutun. Kalıntı metal oksit kütlesini, MOF28'in başlangıçta aktive edilmiş kütlesiyle karşılaştırın.
    3. MOF yüklemesini belirlemek için aynı protokolü (3.6.1 ve 3.6.2) MOF nanosheet içeren membranlar için kullanın.
      NOT: O2 ortamında 800 °C'de ısıttıktan sonra kalan metal oksit kütlesinden, membrandaki MOF nanoplakalarının içeriği belirlenebilir.

4. Yönlendirilmiş membranların tek ve karışık gaz ayrıştırma özelliklerini değerlendirin

  1. Ev yapımı değişken basınçlı sabit hacimli yöntemle tek/saf gaz geçirimliliğiölçümlerini değerlendirin 28.
    NOT: He, H2, CO2, O2, N2, CH4, C2H 4, C2H6, C 3 H6, C3H6 ve C3H8 için genellikle 35 °C ve 2 bar besleme basıncında tek gaz geçirimli koşullar. Ev yapımı gaz ayırma cihazı kullanıldı. Kurulumun detayları için daha önce yayımlanan28 numaralı çalışmamıza bakabilirsiniz.
    1. Zarı mekanik bir delici kullanarak yaklaşık 2 cm2 boyutunda daire/madeni para şeklinde kesin.
    2. Membranı geçirimli hücreye monte edin, yapıştırıcı alüminyum bantla maskeleyin ve epoksi reçinelerle mühürleyin.
      NOT: Epoksi reçine ile membran sızdırmazlığı, istenmeyen deliklerden kaçınmak için dikkatlice yapılmalıdır.
    3. Gaz geçirimliliği için membranın seçilen bir bölgesini açıkta tutun.
    4. Gaz geçirimliliği için zarın erişilebilen alanını bir tarayıcı ile ölçün ve derinlik göstergesi ile membran kalınlığını ölçün.
    5. Herhangi bir geçirimlilik testi yapmadan önce 35 °C'de 12 saat boyunca permeasyon sistemini tahliye edin.
      NOT: Bu adım, membran sızdırmazlığı sırasında adsorbe edilen nemi gidermeye yardımcı olur.
    6. Gazı 2 bar (yukarı basınç basıncı) ile besleyin ve geçirimli sistem sıcaklığının dengelenmesi için 20 dakika bekleyin.
    7. Sabit durumdaki aşağı akış basıncının zamana karşı eğimi (dp/dt) kullanılarak tek gaz geçirgenliğini aşağıdaki denklekle hesaplayın:
      figure-protocol-1 figure-protocol-2(1)
      NOT: P, barrer'deki bir zarın gaz geçirgenliğini ifade eder (1 barrer = 10-10 cm 3(STP)·cm-2·s-1·cmHg-1), V aşağı akış odasının hacmidir (cm3), l membran kalınlığı (cm), p0 yukarı basınç (cmHg), A ise zarın etkin alanını (cm2) ifade eder. R gaz sabitidir (0.278 cm3 cmHg cm-3(STP) K-1), T ise çalışma sıcaklığıdır (K).
    8. Aşağıdaki denklemi kullanarak gaz A'nın gaz B'ye ideal seçiciliğini (SA/B) elde edin:
      figure-protocol-3(2)
      NOT: PA ve P B, sırasıyla A ve B gazlarının geçirgenliğini gösterir.
  2. Karışık gaz geçirimli ölçümlerini değerlendirin.
    1. Karışık gaz ayrım testleri için ikili gaz karışımı (CO2/CH4:10/90; 20/80 ve 50/50) ve/veya üçlü gaz karışımı (H2S/CO2/CH 4:1/9/90; 2/18/80 ve 5/5/90) kullanın.
    2. Karışık gaz geçirgenlik ölçümü için modifiye edilmiş tek gaz geçirimli ekipman kullanın; bu ekipman mikrogaz kromatografisi (Agilent 490 Micro-GC) ile entegre edilmelidir.28.
      NOT: Karışık gaz besleme basıncı 2-30 bar arasında ve sıcaklık 25-100 °C arasında değişebilir.
    3. Aşama kesimini (permeat ile besleme akış oranı) %1'in altında tutun.
      NOT: Membranın üst tarafındaki gaz konsantrasyonu polarizasyonu bu şekilde aşılabilir ve gaz geçirimli çalışması sırasında membran boyunca sabit itici kuvveti korur.
    4. Gaz karışımının membrandan geçmesine izin verin, genellikle 5 zaman gecikmesinin üzerinde sabit durum geçirimli bir permeasyon oranına ulaşın.
    5. Permeat karışımını tahliye edin ve ardından gaz karışımını sabit durum koşullarında toplayın.
    6. Geçirici gazı He gazıyla seyreldin ve gaz karışımını Micro-GC ile analiz edin.
    7. Bileşen i (Pi) 'nin karışık gaz geçirgenliğini aşağıdaki denklemi kullanarak hesaplayın.
      figure-protocol-4(3)
      NOT: y ve x , sırasıyla permeat ve besleme içindeki mol fraksiyonlarıdır ve p0 , bileşen i'nin besleme basıncıdır.
    8. Karışık gaz seçiciliğini (Si/j) iki bileşenin geçirgenlik oranı kullanarak analiz edin.
      figure-protocol-5(4)

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

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

Yönlendirilmiş nanotabaka dolgu maddeleri (Şekil 1), MMM'lerde nanopartiküllere kıyasla doğal olarak çeşitli avantajlara sahiptir. Nanotabakaların nispeten büyük dış yüzey alanı ve azaltılmış mikrogözenek difüzyon mesafesi, korunan moleküler ayrımcılıkla gaz difüzyonu yönlü olarak teşvik eder (Şekil 2). Nanoplakaların nanopartiküllere kıyasla nispeten büyük dış yüzey alanı, nanoplaka-polimer arayüzü uyumluluğunu daha fazla artır...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

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

Yüksek aspekt oranına sahip yönlendirilmiş MOF nanoplakalarının sentezi oldukça zordur. Diğer uygulamaların aksine, gaz ayrımı için kullanılan MOF nanoplakaları, yüzeyde istenmeyen maddelerin önlenmesi için yüzeyaktif madde ve/veya şablon olmadan sentezlenmelidir. Ayrıca, nanoplakaların kanal/gözenekleri düzlem yönünden dışa doğru yönlendirilmelidir ki gaz difüzyonu yönlü olarak teşvik edilsin. Her MOF yapısının farklı bir kristal büyüme mekanizması vardır, bu nedenle aynı sentez prosedü...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

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

Yazarların açıklayacak hiçbir şeyi yok.

Teşekkürler

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

Bu araştırma, Kral Abdullah Bilim ve Teknoloji Üniversitesi (KAUST) tarafından desteklenmiştir. S.J.D. ve M.E. KAUST'un desteğini kabul ediyor.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
Alüminyum (III) hidroksit hidrat Aldrich1330-44-5
Bruker D8 İlerlemeBrukerNAX-ışını difraktometresi 
CAP-2000+ ViskometreAMETEK BrookfieldNAReolojik karakterizasyon
Kloroform (%99,8)Sigma-Aldrich67-66-3
CO2/CH4 : 50/50, 20/80, 10/90 ve H2S/CO2/CH4 = 1/9/90, 5/5/90 Hava Sıvısı ve AHGNA
Diklorometan (%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) Hava Sıvısı ve AHGNA
Helios G4 UX DualBeam mikroskobuThermoFisherNAFIB-SEM 
Ev yapımı gaz ayırma aletleriNANADetaylar için referans 28'e bakınız
Hidroflorik asit (suda %48 ağırlık)Sigma-Aldrich7664-39-3
Magellan 400-FEGThermoFisherNASEM images 
Nikel (II) asetat tetrahidrat (%99)Organik6018-89-9
Poliimid 6FDA-DAM (Mw = 330 kDa, PDI: 2.48)Akron Polimer Sistemleri, Inc.NA
Pirazin (%99)Aldrich290-37-9
TA Q-5000 analizörüTA InstrumentsNATGA 
Tetrahidrofuran (%99)Sigma-Aldrich109-99-9

Kaynaklar

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

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

Karma Matrisli MembranlarMetal Organik Kafes Yap larMembran retimiGaz Kar m Ayr mMOF Nano ar aflarPolimer MatrisMolek ler ElemeHidrojen S lf r Ayr mKarbondioksit Ayr m

İlgili makaleler