התגבשות electrophoretic של ממברנות זגוגית ביצועים גבוהים מסגרת מתכת-אורגני

Chemistry

Your institution must subscribe to JoVE's Chemistry section to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial or learn more about access:

Welcome!

Enter your email below to get your free 10 minute trial to JoVE!





We use/store this info to ensure you have proper access and that your account is secure. We may use this info to send you notifications about your account, your institutional access, and/or other related products. To learn more about our GDPR policies click here.

If you want more info regarding data storage, please contact gdpr@jove.com.

 

Summary

גישה פשוטה, הדירים רב-תכליתי לסינתזה של ממברנות מסגרת מתכת-אורגנית polycrystalline intergrown, על מגוון רחב של יאומתו נקבובי ותומך שאינו נקבובי מוצג.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

He, G., Babu, D. J., Agrawal, K. V. Electrophoretic Crystallization of Ultrathin High-performance Metal-organic Framework Membranes. J. Vis. Exp. (138), e58301, doi:10.3791/58301 (2018).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

אנחנו מדווחים הסינתזה של ממברנות מסגרת מתכת-אורגנית (MOF) polycrystalline דק, intergrown מאוד, על מגוון רחב של תומך נקבובי, שאינו נקבובי שלא שונתה (פולימר, קרמיקה, מתכת, פחמן, ו גראפן). פיתחנו טכניקה התגבשות חדשניים, אשר נקראת הגישה ENACT: מכלול גרעינים electrophoretic עבור התגבשויות של סרטים רזה מאוד intergrown (ENACT). גישה זו מאפשרת צפיפות גבוהה של התגרענות הטרוגנית של Mof על המצע שבחרת באמצעות העדות electrophoretic (EPD) ישירות מ- סול קודמן. הצמיחה של גרעינים MOF ארוזה היטב מוביל סרט MOF polycrystalline מאוד intergrown. אנו מראים כי גישה פשוטה זו יכול לשמש לסינתזה של זאוליט דק, intergrown imidazole מסגרת (זיף)-7 וסרטים זיף-8. וכתוצאה מכך 500 ננומטר בעובי זיף-8 ממברנות הצגת permeance2 H גבוה במידה ניכרת (8.3 x 10-6 מול ז-2 s-1 הרשות הפלסטינית-1) של גז אידאלי selectivities (7.3 H2/CO2, 15.5 H2/N2, 16.2 עבור H-2-/CH-4, ו- 2655 H2/C3H8). הופעה מושכת עבור C3H6/C3H8 ההפרדה היא גם השיגה (של C3H6 permeance של 9.9 x 10-8 מול ז-2 s-1 הרשות הפלסטינית-1 ו- C3H 6/C3H8 אידיאלי סלקטיביות של 31.6 25 ° c). בסך הכל, ניתן להאריך את תהליך ENACT, בשל פשטותו, לסנתז intergrown סרטים רזה של מגוון רחב של חומרים גבישיים nanoporous.

Introduction

ממברנות ניפוי מולקולרית דק מציעים של יעילות אנרגיה גבוהה להפרדה של מולקולות, באפשרותך להפחית את העלות הכוללת של דלקים, לכידת2 CO, טיהור מים, שחזור הממס,1, וכו'2. Mof הם מחלקה המבטיחים של חומר לסינתזה של ממברנות ניפוי מולקולרית בשל כימיה סינתטי מעורב isoreticular התגבשות פשוטה יחסית3. עד כה, MOF ממברנות הכוללת של מבנים גבישיים מגוונים, ובהם כי של זיף-4,-7, -8,-9-11,-67,-90, ו-93, ו UiO-66, HKUST-1, MIL-53 כבר דווח על4,5. ממברנות אלה הם מסונתז על ידי התגבשות באיכות גבוהה polycrystalline MOF סרטים על תמיכה נקבובי. בדרך כלל, כדי לקבל סלקטיביות הפרדה גבוהה, יש צורך להפחית את הליקויים בסרט MOF polycrystalline (כגון pinholes דגן-גבולות פגמים). גישה נוחה כדי להפחית את הליקויים הוא להתגבש סרט עבה. באופן לא מפתיע, כמה מוקדם יותר דיווח על MOF ממברנות הם עבות במיוחד (מעל 5 מיקרומטר). למרבה הצער, סרטים עבה להוביל נתיב ארוך דיפוזיה, אשר מגביל את permeance ממברנה. לכן, בעוד סלקטיביות משופרת, permeance הוא הקריב. כדי לעקוף את עסקאות חליפין, זה חיוני לפתח שיטות כדי לגבש זגוגית (< 0.5 מיקרומטר-עבה), ללא פגם MOF סרטים.

זיף-8 הוא הכי אינטנסיבית לימודי MOF סינתזה ממברנה, עקב יציבות יוצאת דופן שלה כימי, תרמי,6,כימיה7התגבשות פשוטה. עד כה, כבר הבין את הקרומים זיף-8 זגוגית שדווחה על-ידי שינוי פני השטח כימיה או הטופולוגיה של המצע נקבובי הבסיסית, להעדיף את התגרענות הטרוגנית של זיף-8, שהוא חיוני עבור סרט intergrown polycrystalline. למשל, חן ואח. דיווח על הסינתזה של הסרט זיף-8 מיקרומטר בעובי 1 טיו triethoxysilane-לאחרונה (3-aminopropyl)2-מצופה poly(vinylidene fluoride) (PVDF) חלול סיבים8. הם נצפו צפיפות גבוהה התגרענות הטרוגנית, לייחס אותו השינוי בו זמנית של פני השטח כימיה, ננו-מבנה. הקבוצה Peinemann דיווחו על קרום זיף-8 ודק במיוחד על chelating מתכת, polythiosemicarbazide (PTSC) תמיכה9. זו יכולת ייחודית chelating מתכת של PTSC הובילו הכריכה של אבץ יונים, לקדם את התגרענות הטרוגנית של זיף-8 אשר, לאחר מכן, הוביל את בעלי ביצועים גבוהים זיף-8 ממברנות. באופן כללי, כוונון את המצע כימיה, ננו-מבנה מקלה על הסינתזה של ביצועים גבוהים MOF ממברנות; עם זאת, שיטות אלה הם מורכבים למדי, בדרך כלל אין להחילה מחדש לסנתז MOF ממברנות של מבנים MOF אטרקטיביים אחרים.

במסמך זה, מדווחים הסינתזה של זגוגית, מאוד intergrown זיף-8 סרטים באמצעות גישה פשוטה ופסיביות התגבשות זה ניתן להחילה מחדש כדי ליצור סרט דק intergrown של חומרים גבישיים מספר10. אנו מראים דוגמאות של סרטים זיף-8 וזיף-7 מוכן ללא כל רעלני המצע, אשר מאוד מפשט את תהליך ההכנה. הסרטים זיף-8 מוכנות על מגוון רחב של סובסטרטים (קרמיקה, פולימר, מתכת, פחמן, ו גראפן). הסרט זיף-8 500 ננומטר בעובי תמיכה אנודי אלומיניום אוקסיד (AAO) מציג הופעה מושכת ההפרדה. Permeance2 H גבוה של 8.3 x 10-6 מול ז-2 s-1 הרשות הפלסטינית-1 ו selectivities אידיאלי אטרקטיבי של 7.3 (H2/CO2), 15.5 (H2/N2), 16.2 (H2/CH4) 2655 (H /C 23H8) מושגות.

הגישה התגבשות המאפשרת מעלל הנ ל היא ENACT. ENACT ההפקדות זיף-8 גרעינים על גבי מצע ישירות מסול קודמן של הגביש. הגישה מנצל EPD במשך תקופה קצרה מאוד של זמן (1-4 דקות) מיד אחרי הזמן אינדוקציה (הזמן כאשר האטומים המופיעים סול קודמן). היישום של שדה חשמלי גרעינים MOF טעונה כוננים אותם לכיוון אלקטרודה עם זרימה פרופורציונלי לעוצמת יישומית השדה החשמלי (E), ניידות electrophoretic של קולואיד (μ), ריכוז גרעינים (nC), כפי שמוצג משוואות 1 ו- 2.

Equation 1
(משוואת 1)

Equation 2
(משוואת 2)

כאן,
v = את מהירות סחיפה.
אפי = פוטנציאל זטה של הגרעינים,
חדוהo = המקדם הדיאלקטרי של ואקום,
חדוהr = על קבוע דיאלקטרי, ו
Η = צמיגות של קודמן סול.

לכן, על ידי שליטה E ו- pH פתרון (הקובע אפי), צפיפות האריזה של גרעינים יכול להיות נשלט. הגידול עוקבות של גרעינים צפופה ב סול קודמן מאפשר לחוקרים לקבל סרט polycrystalline מאוד intergrown.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

התראה: קרא בעיון את גיליונות נתונים בטיחות חומרים (MSDS) של הכימיקלים מעורב. כמה הכימיקלים המשמשים את הניסוי רעילים. השיטה הנוכחית כוללת את הסינתזה של חלקיקים. לכן, זהירות הולמים. יש לבצע את ההליך כולו סינתזה בשכונה fume מאוורר היטב.

הערה: הפרטים של כלי הנגינה, הכימיקלים וחומרים את המעורבים הסינתזה של הסרטים MOF מפורטים בטבלה 1.

1. הכנה של מתכת תמיסת מלח ו פתרון מקשר סול קודמן

הערה: לסינתזה של הסרט זיף-8, אבץ חנקת hexahydrate [Zn (3)2.6H2O] משמש המלח מתכת, 2-methylimidazole (HmIm) משמש את מקשר.

  1. עבור הפתרון מלח מתכת, להמיס 2.75 g Zn (3)2.6H2O ב- 500 מ ל מים.
  2. עבור הפתרון מקשר, להמיס 56.75 גר' HmIm ב 500 מ"ל מים ומערבבים אותו ברציפות עד מתקבל פתרון ברור.

2. הכנת אלקטרודות Cu

  1. לחתוך נייר של טוהר גבוהה נחושת (עם 99.9% טוהר, מיקרומטר 127-עבה) לחתיכות 4 x 4 ס מ.
  2. כדי להקל על מחבר חובק למעקה מסכל לחתוך לקבוצה של תנין Cu קליפים, לצייר קו במרחק של 0.5 ס מ מאחד הקצוות של מסכל מרובע.
  3. לשטח את רדיד האלומיניום באמצעות מכבש גלילי על משטח נקי.
  4. לנקות את האלומיניום נחושת ביסודיות על ידי אמבטיה sonication ב אצטון למשך 15 דקות, ואחריו אמבט sonication ב אלכוהול איזופרופיל למשך 15 דקות.
  5. יבש foils נחושת באווירה נקייה.

3. הקובץ המצורף של סובסטרטים האלקטרודה (קטודה)

הערה: בחר את המצע המתאים להפקיד את הסרט MOF. ניתן ליישם את השיטה AAO (Anodisc, 13 מ מ קוטר הנקבוביות אירוח עם קוטר נקבובית של 0.1 מיקרומטר), polyacrylonitrile (פאן, ניתוק משקל מולקולרי: 100 kDa), Cu רדיד (99.9% טוהר, מיקרומטר בעובי 25), סרט גראפן אדי-התצהיר-המבוססות על חומרים כימיים נח על רדיד cu11, סרט פחמן nanoporous תוצרת בית נח על רדיד Cu12,13,14.

  1. מקם בזהירות המצע הרצוי על המרכז של האלקטרודה Cu באמצעות קלטת.
  2. יש לשטוף את מכלול המצע/אלקטרודה עם מים, ואחריו אלכוהול איזופרופיל, ושוב עם מים במשך כ- 1 דקות.
  3. לצרף Cu חשופות אלקטרודה (4 x 4 ס מ) האנודה. ואז לצרף הרכבה סובסטרט/אלקטרודה הקתודה.
  4. התאם את ההפרדה בין שתי אלקטרודות כדי 1 ס מ בתוך גביע זכוכית 100 מ.

4. לחוקק את ההליך עבור הסרט זיף-8

  1. לערבב 31.6 גר' של הפתרון קודמן מתכת ו- g 35 של הפתרון ליגנד בתוך 100 מ ל, מערבבים את זה ב-30 s בטמפרטורת החדר כדי ליצור את סול מבשר.
    הערה: הזמן אינדוקציה של זיף-8 בתנאים אלו הוא פחות מ 60 s ו, לכן, להגנת הסביבה חייב להתבצע ללא דיחוי.
  2. להעביר את סול קודמן כלי אירוח האלקטרודות.
  3. לטבול בשתי האלקטרודות עד כדי לסמן 3.5 ס"מ על האלקטרודות.
    הערה: מן הניסויים שלנו, הבחנו כי החלת השדה החשמלי לפני 3 דקות של סול הזדקנות שמוביל החדירה של גרעינים זיף-8 קטנים לתוך הנקבוביות של סובסטרטים נקבובי (AAO במקרה הזה), אשר צריך להמנע. לכן, השדה החשמלי מופעל רק לאחר 3 דקות, כאשר האטומים גדלים קצת יותר גדול.
  4. לבצע להגנת הסביבה עם מתח התצהיר של 1 V עבור 4 דקות. הזרם צריך להיות בטווח של 2.5-3.5 mA.
  5. בסוף להגנת הסביבה, הנמך את הספל לאט. כמו הידבקות בין האטומים טרי הפקיד את המצע הוא חלש, ש"צריך להתייחס לטיפול את המצע.
  6. להעביר את המצע מיובשים זכוכית מיקרוסקופיים. השתמש הקלטת כדי להחזיק את המצע במקום.
  7. עבור הצמיחה קריסטל, מערבבים 31.6 גר' של הפתרון מלח מתכת ו- g 35 של הפתרון מקשר בתוך 100 מ.
  8. למקם את השקופית זכוכית מיקרוסקופיים יחד עם המצע אנכית הפתרון קודמן ולהשאיר אותה ללא הפרעה במשך 10 h ב- 30 ° C.
  9. לאחר עד 10 שעות של הצמיחה קריסטל, יש לשטוף את המצע עם מים למשך 30 דקות, לייבש אותו באווירה נקייה.

5. לחוקק את ההליך עבור הסרט זיף-7

  1. לסנתז את הסרט זיף-7 תמיכה AAO בשיטה הדומה לזו שבוצעה עבור הסרט זיף-8 אבל עם ההבדלים הבאים.
  2. לאחר ערבוב 0.82 גר' Zn (3)2·6H2O ב- 30 מ של dimethylformamide (DMF) ו- g 0.72 של benzimidazole ב- 30 מ של מתנול למשך 3 דקות, לבצע להגנת הסביבה עבור 1 דקות.
  3. לסנתז סרט זיף-7 intergrown במועט הסרט גרעין זיף-7 ב סול קודמן המכיל 0.58 g Zn (3)2·6H2O, 0.3 g של benzimidazole ו- 30 מ של DMF ב 110 מעלות צלזיוס במשך 4 שעות.
  4. לאחר לצנן את הפתרון, לשטוף את הקרום זיף-7/AAO בהשריה DMF, ואחריו מייבש אותו ב 60 מעלות צלזיוס במשך 12 שעות.

6. ממברנה הכנה ואפיון

  1. הכנה של קרום
    1. לשם הכנת חומר איטום, לערבב ביסודיות בה במידה של השרף, את במינראליים ולהשאיר את התערובת לשעה.
    2. מקם את הקרומים זיף-8/תמיכה בדיסק פלדה מ"מ ברוחב 24 עם חור בקוטר 5 מ מ במרכז.
    3. להחיל את אפוקסי לאורך קצות המצע בהתחלה, לאחר מכן לכסות את המצע מלבד החור 5 מ מ בקוטר במרכז.
    4. לאפשר את האפוקסי כדי לילה יבש.
    5. השתמש סטריאו מיקרוסקופ כדי לסרוק את הקרום יחד עם מידה הייחוס המוכרת.
    6. השתמש בתוכנה גרפית כדי לחשב את השטח החשוף של הקרום מן התמונה הסרוקה.
  2. מבחן הסתננות גז
    הערה: בניסויים שלנו, גז חד-רכיבים הסתננות הבדיקות בוצעו על ידי הטכניקה וויק-Kallenbach בתא הסתננות תוצרת בית. בקרי זרימת מסה (MKS) ואת ספקטרומטר מסה להשתמש בקביעת הסתננות היו מכוילים בטווח של 5% שגיאה. בקרי זרימת מסה (MFC) מוסדר ההזנה וקצב זרימת גז לטאטא. Ar משמש את הגז לטאטא שנשא את הגז permeate כדי בספקטרומטר מכויל (MS) ניתוח בזמן אמת של ריכוז permeate.
    1. מקום בדיסק פלדה עם הקרום התא מפלדת הסתננות.
    2. להבטיח דליפה-צפוף על-ידי הצבת Viton O-טבעות מעל ומתחת הדיסק פלדה והדקו את הברגים. כדי להסיר את המים הספוחה במהלך הסינתזה, יבש על הממברנות ב 130 ° C תחת אווירה /Ar2H עד permeance2 יציב H.
    3. מקם את הסידור בתוך התנור והגדר את הטמפרטורה 130 מעלות צלזיוס.
    4. ודא את ההזנה לטאטא את הקווים הם טרופה.
    5. להגדיר את תעריפי זרימת גז על ההזנה, הצדדים לטאטא 30 mL/min.
    6. לשמור על לחץ של MPa 0.1-ההזנה ואת הצד סריקה על-ידי התאמת את מגופי מחט על retentate הצד permeate, בהתאמה.
    7. לחשב את permeance לאחר מצב יציב הוא הוקם.
    8. לאט לאט להתקרר בתנור (כ 2h) עד 30 ° C ולהקליט את הערכים שוב לאחר מצב יציב הוא הוקם.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

מלכודת EPD תוצרת בית שימש לסנתז את הסרטים MOF (איור 1). סריקת רנטגן עקיפה (XRD) ותמונות של מיקרוסקופ אלקטרונים (SEM) דפוסי נאספו עבור הסרט גרעין זיף-8 (איור 2). SEM השתמשו בתמונה על פני השטח ואת חתך הרוחב מורפולוגיות של AAO תמיכה, זיף-8/AAO קרום, תמיכה פאן, זיף-8/פן קרום, הסרט זיף-8/גרפן, זיף-7/AAO ממברנה (איור 3). Permeance גז של הממברנות זיף-8 נמדדה במודול מבוקרי טמפרטורה ממברנה (איור 4). ביצועי ההפרדה גז שהושג ממברנות זיף-8/AAO והתקרבות זיף-8/מוצג באיור5. תמונות SEM שימשו כדי להבין את מורפולוגיות של הסרטים גרעינים או הסרטים MOF. דפוסי XRD שימשו כדי לקבוע את crystallinity של הסרט גרעינים. גז permeance נתונים שימשו כדי לנתח את מאפייני התחבורה של הממברנות MOF. הסרט גרעינים קומפקטי מדגים כי השיטה ENACT הוא די יעיל בשליטה על צפיפות התגרענות הטרוגנית על מצע. צמיחה פוסט, המורפולוגיה הסרט נצפה ע י SEM הוא קומפקטי וקל נטול חריר, שנראה מאוד intergrown. הנתונים permeance גז להציג2H /C3H8 סלקטיביות זו גבוה יותר מאשר 1000, להוכיח כי הסרט MOF כמעט ללא פגם.

Figure 1
איור 1: הגדרת EPD. המצע () AAO מחוברת אלקטרודה Cu על ידי שתי רצועות של נייר דבק. (b) A הרכבה מקבילים בין הקתודה לאנודה מחובר למקור מתח. (ג) המקבילה אלקטרודות שקועים ב הזמנתכם קודמן אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 2
איור 2: תמונות SEM ודפוסי XRD של הסרט גרעין זיף-8- הלוחות הראשונים מציגים () תמונה להציג העליונה SEM של הסרט גרעין זיף-8 AAO ותמיכה (b) המורפולוגיה חתך הרוחב המתאים. (ג) לוח זה מציג דפוסי XRD של הסרט גרעינים (אדום) של הקריסטלים מדומה (שחור). אפיוני אלה מדגימים כי הסרט גרעין זיף-8 הוא קומפקטי ודק במיוחד, גבישי. איור זה המופקת מן הוא. et al. 10 בעלי הרשאה. זכויות יוצרים ויילי VCH הרסוביץ GmbH & KGaA ושות'. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 3
איור 3: מורפולוגיות משטח/cross-sectional. לוחות אלה להראות תמונות משטח מורפולוגיות חתך הרוחב של תמיכה () AAO (b , c) את זיף-8/AAO ממברנה, (d) למחבת תמיכה, ו- (e ו- f) קרום זיף-8/פאן. אפיוני אלה מדגימים כי הסרטים זיף-8 על התמיכה AAO והתקרבות הם מאוד intergrown ודק במיוחד. איור זה המופקת מן הוא. et al. 10 בעלי הרשאה. זכויות יוצרים ויילי VCH הרסוביץ GmbH & KGaA ושות'. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 4
איור 4: המודול קרום עבור המידה permeance גז- הממברנות זיף-8 חתומות בתוך מודול זה. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Figure 5
איור 5: גז שהושג ההפרדה הביצועים של ממברנות זיף-8/AAO ואת זיף-8/פאן.
הלוחות הראשונים מראים את permeance גז כפונקציה של קוטר קינטי עבור () זיף-8/AAO ו- (b) זיף-8/מחבת ממברנה-25 ° C ו- 0.1 MPa. שני הלוחות האחרים להראות מידת הבררנות אידיאלי כפונקציה של הקוטר קינטי (c) את זיף-8/AAO (d) קרום זיף-8/פאן. הנתונים האלה מראים את ביצועי ההפרדה גז מעולה הממברנות זיף-8, המציינת כי הממברנות זיף-8 הם כמעט ללא פגם. איור זה המופקת מן הוא. et al. 10 בעלי הרשאה. זכויות יוצרים ויילי VCH הרסוביץ GmbH & KGaA ושות'. אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

המבנה הבולט של השיטה ENACT ביחס שיטות קיימות15 היא שיטת ENACT מאפשרת הסינתזה של סרטים MOF מאוד intergrown, ודק במיוחד על מגוון רחב של סובסטרטים נקבובי, nonporous. כל רעלני המצע הוא נמנע, הופך שיטה זו פשוטה מאוד לסינתזה של סרטים MOF. למרות EPD ציוד יש לשמש לתצהיר של סרט גרעינים, הציוד מורכב מקור כוח אלקטרודת מתכת, גביע, וזה די פשוטה ונגישה. אנו מאמינים כי שיטה זו ENACT נתיישב ניתן להרחיב את הסינתזה של מגוון רחב של סרטים גבישי.

תהליך ENACT הוא פשוט ליישם פרוטוקול ההכנה היא פשוטה יחסית. הדבר נכון במיוחד עבור קבוצה של גבישים להציג צמיחה מהירה קינטיקה אפילו בטמפרטורת החדר, כגון Mof. תהליך סינתזה שלמה יכול להיות שבור למטה לתוך הכוללת 3 שלבים: i) הגדרת מכלול אלקטרודה סול קודמן, ii) הפעלת שדה חשמלי במועד תחילת לחשב מראש (בהתאם לגודל של הגרעינים) עבור תקופת זמן להפקיד את n הרצוי uclei הסרט, ואת השלישי) לספוג את הסרט גרעינים סול קודמן גדילה, צמיחה עוקבות. תהליך זה ניתן להתאים למגוון רחב של חומרים גבישיים. הקדם היחידה היא ידיעת הזמן אינדוקציה, הגודל, צפיפות גרעינים, את פוטנציאל זטה. מידע זה ניתן להשיג על ידי אפיון מורפולוגיה של crystallinity של הגרעינים של הג'ל צמיחה עקיפה TEM, אלקטרון ומדידת את פוטנציאל זטה.

הסינתזה המוצלחת של סרטים MOF באיכות גבוהה, יש שלושה שיקולים קריטי. (i) העדות electrophoretic צריך להתבצע רק לאחר הזמן אינדוקציה. בשביל זה, יש צורך לנתח את ההתפתחות של הגרעינים ב סול מבשר ידי ספקטרוסקופיות או עקיפה או טכניקות מיקרוסקופיים. (ii) בתצהיר electrophoretic של האטום הוא שלב קריטי. בשלב זה, הבחירה של מתח וזמן התצהיר לבצעו בזהירות. זמן תצהיר ארוך יותר או מתח גבוהה מדי עלולה להוביל בתצהיר של סרט עבה גרעינים, ומקטינות הצמיחה הבאים לסרט MOF עבה את הביצועים הכוללים של הקרום. מצד שני, מתח קטן יוביל שדה חשמלי קטן, עשוי להוביל סרט באיכות ירודה. (iii) בשלב הצמיחה קריסטל, הפעם הגידול צריך להיות ארוכה דיה כדי להבטיח כי הסרט MOF שנוצר הוא מאוד intergrown. אם החומרים המזינים סול קודמן דלה לפני סרט מאוד intergrown מתקבל, סול מבשר טרי יכול לשמש.

איור 1a מציג מצע מלטשים האלקטרודה Cu (קטודה). איור 1b ממחיש את מכלול מקבילים בין הקתודה לאנודה מחובר למקור מתח. האלקטרודות שקועים בתוך ג'ל קודמן לסינתזה של הסרט MOF (איור 1 c). לאחר 4 דקות של EPD של הגרעינים, קומפקטית 100 ננומטר בעובי זיף-8 גרעינים הסרט נוצר על תמיכה AAO, כפי שמוצג דמויות 2a ו- 2b. הסרט מורכב זיף-8 גרעינים עם גודל ממוצע של בסביבות 40 ננומטר. XRD של הסרט (איור 1 c) מוודאת כי הסרט גרעין האטום מורכב של גבישים זיף-8.

קומפקטית מאוד intergrown זיף-8 סרטים עם עובי של 500 ננומטר נוצר על התמיכה AAO לאחר שעזב את הסרט גרעינים בדג סול סינתזה h 10 (3a דמויות - 3 c). סרט זיף-8 רזה (360 ננומטר) נוצרת על התמיכה פאן נקבובי (דמויות 3d - 3f). ניתן לייחס את עוביים שונים הסרט צפיפות שונה במקצת התגרענות הטרוגניות עקב הבדלי גודל הנקבוביות את AAO והתמיכה פאן נקבובי.

Permeance גז של הממברנות זיף-8 נבדק במודול ממברנה המוצג באיור 4. איור 5 מציג את התוצאות יחיד-גז הסתננות עבור H2, CO2, N2, CH4,3H ג6ו- C3H8 זיף-8/AAO וממברנות זיף-8/פאן. קרום זיף-8/AAO מראה של permeance2 H גבוה במידה ניכרת של 8.3 x 10-6 מול ז-2 s-1 הרשות הפלסטינית-1, את selectivities אידיאלי של H2/CO2, H2/N2, H2 /CH4, H2/C3H6, H2/C3H6ו- H2/C3H8 הם 7.3 ± 0.3, 15.5 ± 1.4, נמצא 16.2 ± 1.4, 83.9 ± 7.4 ולאחר 2655 ± 131, בהתאמה; גבוהה בהרבה מזו selectivities קנודסן המתאימים. מופע הפרדה גבוהה זה הינו אחד הטובים ביותר בין ממברנות MOF, אשר מיוחסת לשכבה סלקטיבי זגוגית (500 ננומטר) ואת התכונה כמעט ללא פגם של הקרום. קרום זיף-8/AAO גם מראה C גבוהה3H permeance6 של 9.9 x 10-8 מול ז-2 s-1 הרשות הפלסטינית-1 עם סלקטיביות פרופילן/גז אידיאלי של 31.6. את AAO הנתמכות על-ידי, 500 ננומטר בעובי זיף-8 סרטים להראות לאחת ההופעות ההפרדה הטוב ביותר לטיהור של פרופילן פרופאן (השוואה מקיפה עם הספרות זמינה בעבודה על ידי הוא. et al.) 10.

קרום זיף-8/פן מראה permeance2 H של 6.1 x 10-7 מול ז-2 s-1 הרשות הפלסטינית-1את selectivities אידיאלי של H-2-/CO-2, H-2-/N-2, H-2-/CH-4, H2/C 3 H6, H2/C3H6ו- H2/C3H8 הם 3.3, 13.3, 11.4, 79.0 ו- 187. Permeance גז נמוכה מקרום זיף-8/פאן הוא בעיקר בשל התנגדותם גז-תחבורה גבוה משמעותית מן התמיכה פאן לעומת התומכים מ AAO9.

לסיכום, אנו מציגים עבור סרטים MOF וממברנות פרוטוקול התגבשות לשחזור. הגישה ENACT מאפשר לחוקרים הבקרה בדיוק את התגרענות הטרוגנית על ידי שינוי של שדה חשמלי וזמן התצהיר, אפילו מתוך פתרון קודמן מדולל. הגידול הסרט יכול להיות נשלט באופן עצמאי על-ידי בחירת תנאי גידול שונים, כתוצאה מכך, יכול להיות מסונתז ממברנות ביצועים גבוהים.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

המחברים אין לחשוף.

Acknowledgments

אנו להכיר במוסד בבית שלנו, אקול פוליטכניק Fédérale דה לוזאן (EPFL), על התמיכה הנדיבה. הפרויקט קיבל מימון אופק 2020 מחקר של האיחוד האירופי ולהעניק חדשנות תוכנית תחת מארי הספרותמוזאון הסכם 665667 מס. המחברים מודים פסקל אלכסנדר Schouwink לעזרתו עם XRD.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Zinc nitrate hexahydrate Sigma-Aldrich 96482-500G 98% purity
2-Methylimidazole Sigma-Aldrich M50850-500G 99% purity
Benzimidazole TCI B0054-500G 98% purity
Tape DuPont KPT-1/8
Epoxy GC Electronics 19-823
Copper foil Alfa Aesar 13380.CV 99.9% purity
Power source for EPD Gamry Instruments Interface 1000E Potentiostat
Ultrasonic cleaner MTI corporation VGT-1860QTD
AAO GE Healthcare Life Sciences‎ 6809-7013
PAN Shandong MegaVision The molecular weight cut-off is 100 kDa

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Knebel, A., et al. Defibrillation of soft porous metal-organic frameworks with electric fields. Science. 358, 347-351 (2017).
  2. Brown, A. J., et al. Interfacial microfluidic processing of metal-organic framework hollow fiber membranes. Science. 345, 72-75 (2014).
  3. Dzubak, A. L., et al. Ab initio carbon capture in open-site metal-organic frameworks. Nature Chemistry. 4, 810-816 (2012).
  4. Gascon, J., Kapteijn, F. Metal-organic framework membranes-high potential, bright future. Angewandte Chemie International Edition. 49, 1530-1532 (2010).
  5. Liu, X., Wang, C., Wang, B., Li, K. Novel Organic-Dehydration Membranes Prepared from Zirconium Metal-Organic Frameworks. Advanced Functional Materials. 27, 1-6 (2017).
  6. Zhang, F., et al. Hydrogen selective NH2-MIL-53(Al) MOF membranes with high permeability. Advanced Functional Materials. 22, 3583-3590 (2012).
  7. Kwon, H. T., Jeong, H. -K. In situ synthesis of thin zeolitic-imidazolate framework ZIF-8 membranes exhibiting exceptionally high propylene/propane separation. Journal of the American Chemical Society. 135, 10763-10768 (2013).
  8. Hou, J., Sutrisna, P. D., Zhang, Y., Chen, V. Formation of ultrathin, continuous metal-organic framework membranes on flexible polymer substrates. Angewandte Chemie International Edition. 55, 3947-3951 (2016).
  9. Barankova, E., Tan, X., Villalobos, L. F., Litwiller, E., Peinemann, K. V. A metal chelating porous polymeric support: the missing link for a defect-free metal-organic framework composite membrane. Angewandte Chemie International Edition. 56, 2965-2968 (2017).
  10. He, G., Dakhchoune, M., Zhao, J., Huang, S., Agrawal, K. V. Electrophoretic Nuclei Assembly for Crystallization of High-Performance Membranes on Unmodified Supports. Advanced Functional Materials. In press (2018).
  11. Li, X., et al. Large-area synthesis of high-quality and uniform graphene films on copper foils. Science. 324, 1312-1314 (2009).
  12. Rodriguez, A. T., Li, X., Wang, J., Steen, W. A., Fan, H. Facile synthesis of nanostructured carbon through self-assembly between block copolymers and carbohydrates. Advanced Functional Materials. 17, 2710-2716 (2007).
  13. Huang, S., et al. Large-area single-layer graphene membranes by crack-free transfer for gas mixture separation. Nature Communications. Accepted (2018).
  14. Agrawal, K. V., Dakachoune, M., Huang, S., He, G., Dudani, N. Ultrahigh flux gas-selective nanoporous carbon membrane and manufacturing method thereof. Patent. Application PCT/EP2017/057684 (2017).
  15. Liu, J., Wöll, C. Surface-supported metal-organic framework thin films: fabrication methods, applications, and challenges. Chemical Society Reviews. 46, 5730-5770 (2017).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics