Elektroforetik kristalizasyon Ultrathin yüksek performanslı Metal organik Framework membranlar

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 1 hour 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

Geniş bir değiştirilmemiş gözenekli üzerinde intergrown, polikristalin metal organik framework zarları sentezi için basit, tekrarlanabilir ve çok yönlü bir yaklaşım ve gözenekli olmayan destekler sunulmaktadır.

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

Biz geniş bir değiştirilmemiş gözenekli ve gözenekli olmayan destekler (polimer, seramik, metal, karbon ve grafen) ince, son derece intergrown, polikristalin metal organik framework (MOF) membranlar sentez raporu. Biz ENACT yaklaşım olarak adlandırdığı bir roman kristalizasyon tekniği, gelişmiş değil: son derece intergrown ince filmler (ENACT) kristalizasyon elektroforetik çekirdek derleme. Bu yaklaşım MOF'lar heterojen çekirdekleşme bir seçilen yüzey yolu ile doğrudan doğruya--dan habercisi sol elektroforetik ifade (EPD) yüksek yoğunluğu sağlar. İyi paketlenmiş MOF çekirdeği büyüme son derece intergrown polikristalin MOF film izlemeye gidiyor. Bu basit yaklaşım ince, intergrown zeolit imidazole framework (ZIF) -7 ve ZIF-8 filmler sentezi için kullanılabileceğini göstermektedir. Bir önemli ölçüde yüksek H2 permeance x 10-6 mol m-2 s-1 Pa-1(8.3) ve ideal gaz selectivities (7,3 H2Co2, 15,5 H2/n2için için elde edilen 500 nm-kalın ZIF-8 membranlar göster 16,2 H2/CH4ve H2/C3H8için 2655). C3H6/C3H8 ayrılması için çekici bir performans da (bir C3H6 permeance 9,9 x 10-8 mol m-2 s-1 Pa-1 ve C3H, elde 6/C3H8 ideal selectivity 31,6 25 ° c). Genel olarak, sadeliği, sayesinde ENACT işlemi nanoporous kristal malzemeleri geniş bir intergrown ince filmlerin sentezlemek için genişletilebilir.

Introduction

İnce moleküler eleme membran molekülleri ayrılması bir yüksek enerji verimliliği sunar ve yakıtlar, CO2 yakalama, su arıtma, Çözelti iyileştirme, vb1,2genel maliyetini azaltabilir. MOF'lar bir umut verici moleküler eleme zarları sentezi için malzeme dahil isoreticular sentetik kimya ve nispeten basit kristalizasyon3nedeniyle sınıfıdır. Bugüne kadar MOF membranlar ZIF-4, -7, -8, bildirilen4,5-9, -11, -67,-90 ve-93 ve UIO-66, HKUST-1 ve MIL-53 olmuştur dahil olmak üzere çeşitli kristal yapıları, oluşan. Bu membran yüksek kaliteli polikristalin MOF filmleri gözenekli bir destek crystallizing tarafından sentezlenen. Genel olarak, yüksek ayırma seçicilik elde etmek için (örneğin, iğne deliği ve tahıl-sınır kusurları) polikristalin MOF filmde kusurları azaltmak gereklidir. Kalın bir film kristalize için kusurları azaltmak için uygun bir yaklaşım olacaktır. Doğal olarak, birkaç daha önce bildirilen MOF üzerinde membranlar (üzerinde 5 mikron) son derece kalın kafalısın. Ne yazık ki, kalın filmlerin membran permeance sınırlayan bir uzun difüzyon yolu için yol. Bu nedenle, seçicilik geliştirilmiş olsa da, permeance feda etti. Bu ticaret-off aşmak için ultrathin kristalize yöntemleri geliştirmek için zorunludur (< 0,5 µm kalınlığında), kusur-ücretsiz MOF filmler.

ZIF-8 en yoğun olarak olağanüstü kimyasal ve termal istikrarı ve basit kristalizasyon Kimya6,7nedeniyle membran sentezi için MOF okudu var. Şimdiye kadar bildirilen ultrathin ZIF-8 membran yüzey kimyası ve ZIF-8, türdeş olmayan çekirdekleşme lehine bir intergrown polikristalin film için gerekli olan temel gözenekli yüzey topolojisinin değiştirerek gerçekleştirilmiştir. Örneğin, Chen ve ark. 1 µm kalınlığında ZIF-8 film sentezi (3-aminopropyl) triethoxysilane-modified TiO2üzerinde bildirdi-kaplamalı poly(vinylidene fluoride) (PVDF) içi boş lifler8. Onlar yüksek heterojen çekirdekleşme yoğunluğu gözlenen ve yüzey kimyası ve nanostructure aynı anda değişiklik için atfedilen. Peinemann grup ultrathin ZIF-8 membran bir metal-şelat, polythiosemicarbazide (PTSC) Destek9tarihinde bildirdi. Bu benzersiz metal şelat yeteneğini PTSC heterojen çekirdekleşme ZIF-8 yol açan, daha sonra yüksek performanslı ZIF-8 membranlar için teşvik bağlama çinko iyonlarının yol açtı. Genel olarak, tuning yüzey kimyası ve nanostructure yüksek performanslı MOF zarları sentezi kolaylaştırır; Ancak, bu yöntemlerin oldukça karmaşıktır ve genellikle diğer çekici MOF yapılardan MOF membranlar sentez için yeniden olamaz.

Burada, biz son derece çeşitli kristal malzemeler10ince bir intergrown film oluşturmak için yeniden bir basit ve çok yönlü kristalizasyon yaklaşım kullanarak ZIF-8 filmler intergrown sentezi ultrathin, raporu. ZIF-8 ve ZIF-7 film hazırlama işlemini büyük ölçüde basitleştirir herhangi bir Substrat Önarıtma hazırlanan örnekleri gösterir. ZIF-8 filmleri geniş bir yüzeylerde (seramik, polimer, metal, karbon ve grafen) hazırlanır. Anodik alüminyum oksit (AAO) desteği 500 nm-kalın ZIF-8 filmde bir çekici ayrılık performans görüntüler. Yüksek H2 permeance 8,3 x 10-6 mol m-2 s-1 Pa-1 ve çekici ideal selectivities 7,3 (H2Co2), 15,5 (H2/n2), 16,2 (H2/CH4) ve 2655 (H 2/C3H8) elde edilir.

Yukarıda belirtilen feat sağlayan kristalizasyon ENACT yaklaşımdır. ENACT doğrudan doğruya--dan crystal'ın habercisi sol bir substrat üzerine ZIF-8 çekirdek mevduat. Yaklaşım EPD doğru-den sonra bu indüksiyon zaman (ne zaman çekirdeklerin habercisi sol görünür zaman) süresi (1-4 dk) çok kısa bir süre için kullanır. Elektrik alan uygulamaya şarj edilmiş MOF çekirdeklerin onlara doğru bir elektrot Uygulamalı Elektrik alanı (E), (μ) kolloid elektroforetik hareketliliğini ve konsantrasyon gücünü orantılı bir akı ile sürücüler çekirdek (Cn) denklemler 1 ve 2 gösterildiği gibi.

Equation 1
(Denklem 1)

Equation 2
(Denklem 2)

Burada,
v = drift hızı
Ζ çekirdekleri, zeta potansiyeli =
εo vakum, geçirgenlik =
εr = dielektrik sabiti ve
η habercisi sol viskozite =.

Bu nedenle, E ve (ζ belirleyen) çözüm pH kontrol ederek, çekirdeği paketleme yoğunluğu kontrol edilebilir. Öncü sol yoğun dolu çekirdeği sonraki büyüme araştırmacılar bir son derece intergrown polikristalin film elde etmek için izin verir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Uyarı: dikkatli bir şekilde yer alan kimyasal maddelerin malzeme güvenlik bilgi formları (MSDS) okuyun. Denemede kullanılan kimyasalların bazılarını zehirlidir. Mevcut Yöntem nano tanecikleri sentezi içerir. Bu nedenle, uygun önlemleri alın. Tüm sentez yordam iyi havalandırılmış duman mahallede gerçekleştirilmelidir.

Not: Aletleri, kimyasallar ve MOF filmleri sentezinde yer alan malzemeler ayrıntılarını Tablo 1' de listelenmiştir.

1. hazırlanması bir Metal tuz solüsyonu ve bağlayıcı çözüm için habercisi Sol

Not: ZIF-8 film sentezi için çinko nitrat hekzahidrat [Zn (NO3)2.6H2O] metal tuzu kullanılır ve 2-methylimidazole (HmIm) bağlayıcı kullanılır.

  1. Metal tuz solüsyonu Zn (NO3)2.6H2O 500 ml su 2.75 g geçiyoruz.
  2. Bağlayıcı çözüm için HmIm 56.75 g 500 mL su içinde dağıtılması ve sürekli olarak net bir çözüm elde edilir kadar karıştırın.

2. Cu elektrotlar hazırlanması

  1. Yüksek saflıkta bakır folyo (% 99.9 saflık ile 127 µm kalınlığında) 4 x 4 cm parçalar halinde kesin.
  2. Kesilmiş folyo Cu timsah klipleri bir dizi sıkma kolaylığı için kare folyo kenarlarını birinden 0.5 cm uzaklıkta bir çizgi çizin.
  3. Silindirik bir silindiri temiz bir yüzey üzerinde kullanarak folyo düzleştirin.
  4. Bakır folyo banyo sonication aseton isopropanol 15 dakika içinde banyo sonication ardından 15 dakika içinde iyice temizleyin.
  5. Temiz bir ortamda bakır folyo kuru.

3. ekin yüzeylerde elektrot (katot) için

Not: MOF film yatırmak için uygun bir substrat açmadı. Yöntemi için AAO (Anodisc, 13 mm çap barındırma gözenekleri 0,1 µm gözenek çapı ile), poliakrilonitril uygulanabilir (PAN, molekül ağırlığı kesme: 100 kDa), Cu folyo (% 99.9 saflık, 25 µm kalınlığında), üzerinde bir kimyasal buhar biriktirme-tabanlı grafen filmi bir Cu folyo11ve bir ev yapımı nanoporous Karbon film Cu folyo12,13,14tarihinde dinleniyor.

  1. Dikkatli bir şekilde istenen substrat bir bant kullanarak Cu elektrot ortasına yerleştirin.
  2. Substrat/elektrot derleme suyla isopropanol tarafından takip ve yine yaklaşık 1 dakika için su ile durulayın.
  3. Çıplak Cu elektrot (4 x 4 cm) için anot iliştirin. Sonra substrat/elektrot derleme katot için ekleyin.
  4. 1 cm 100 mL Cam kabı içinde iki elektrot arasındaki mesafeyi ayarlayın.

4 yordam SAHNELEMEK için ZIF-8 Film

  1. 31,6 g metal öncü çözüm ve ligand çözüm bir 100 mL ölçek 35 g mix ve 30 için heyecan s habercisi sol oluşturmak için oda sıcaklığında.
    Not: İndüksiyon, ZIF-8 bu koşullarda 60 az zamanı s ve bu nedenle, EPD var gecikmeden uygulanacak.
  2. Öncü sol elektrotlar barındırma gemi aktarın.
  3. Her iki elektrot elektrotlar 3.5 cm işareti kadar bırakın.
    Not: bizim deneylerden önce sol yaşlanma 3 dk. daha küçük ZIF-8 çekirdek penetrasyon için kaçınılması gereken gözenekli yüzeylerde (Bu özel durumda AAO), gözenekleri içine neden elektrik alan uygulama biz gözlemledim. Çekirdeklerin biraz daha büyük büyümek ne zaman bu nedenle, elektrik alanı sadece 3 dakika sonra açılır.
  4. EPD 1 V 4 min için bir ifade gerilim ile yerine getirir. Geçerli 2.5-3.5 mA aralığında olmalıdır.
  5. EPD sonunda kabı yavaşça indirin. Taze yatırılan çekirdeği ve substrat arasında yapışma zayıf olduğu için son derece dikkatli belgili tanımlık substrate taşıma sırasında alınmalıdır.
  6. Kurutulmuş substrat mikroskobik cam slaytlara aktarın. Bant yüzey tutmak için kullanın.
  7. Kristal büyüme için 31,6 g metal tuz solüsyonu ve bağlayıcı çözüm bir 100 mL ölçek 35 g karıştırın.
  8. Mikroskobik cam kaymak belgili tanımlık substrate birlikte dikey olarak öncü çözümde yerleştirin ve 30 ° C'de 10 h için rahatsız bekletin
  9. Sonra en fazla 10 saat kristal büyüme, substrat 30 dk için su ile durulayın ve temiz bir ortamda kuru.

5. yordam SAHNELEMEK için ZIF-7 Film

  1. ZIF-7 filmin bir AAO destek bir ZIF-8 film için ama aşağıdaki farkları ile kullanılan benzer bir yöntem tarafından sentez.
  2. Zn (NO3) 0,82 g karıştırma sonra2·6H2O 30 ml dimethylformamide (DMF) ve 0,72 g benzimidazole 30 ml metanol 3 dk, çalışma yürütmek EPD 1 dk için.
  3. Bir intergrown ZIF-7 film ZIF-7 çekirdek film Zn (NO3)2·6H2O 0,58 g, benzimidazole 0.3 g ve DMF 30 mL 110 ° c 4 h için içeren bir habercisi sol çeker tarafından sentez.
  4. Çözüm soğutma sonra ZIF-7/AAO membran DMF 12 h için 60 ° C'de kurutma tarafından takip içinde ıslatarak yıkayın.

6. membran hazırlanması ve karakterizasyonu

  1. Membran hazırlanması
    1. Bir dolgu macunu kursları, reçine ve sertleştirici eşit oranda iyice karıştırın ve 1 h için karışım bırakın.
    2. ZIF-8/destek membranlar 5 mm çaplı delik Merkezi ile 24 mm çapında çelik disk yerleştirin.
    3. Epoksi yüzey başta kenarları boyunca uygulayın ve daha sonra 5 mm çapında delik Merkezi dışında substrat kapsar.
    4. Epoksi kuru gece kalmak için izin verir.
    5. Stereo mikroskop membran ile birlikte bilinen başvuru ölçek inceden inceye gözden geçirmek için kullanın.
    6. Açık alan taranmış görüntüden membran hesaplamak için grafik yazılımı kullanın.
  2. Gaz nüfuz testi
    Not: bizim deneylerde tek bileşenli gaz Permeasyon testler ev yapımı Permeasyon hücrede kötü Kallenbach tekniği ile yapılmıştır. Kitle akış kontrolcüler (MKS) ve kütle spektrometre Permeasyon set-up kullanılan %5 hata bir dizi içinde kalibre. Kitle akış kontrolcüler (MFC) yem ve süpürme gaz debisi düzenlenir. AR permeate gaz kalibre edilmiş kütle spektrometre (MS) için yapılan süpürme gaz permeate konsantrasyon gerçek zamanlı bir analizi için kullanılır.
    1. Çelik disk membran ile paslanmaz çelik Permeasyon hücreye yerleştirin.
    2. Viton o-ring yukarıdaki yerleştirerek ve çelik disk aşağıda bir sızıntı geçirmez uyum sağlar ve vidaları sıkıştırın. Adsorbed su sentezi sırasında kaldırmak için bir sabit H2 permeance ulaşıncaya kadar 130 ° c H2/Ar atmosfer altında membranlar kuru.
    3. Set-up fırın yerleştirin ve 130 ° c sıcaklık ayarla
    4. Yem ve süpürme satırlar ısıtılmış emin olun.
    5. Gaz akış oranları yem ve süpürme taraf 30 mL/dk için ayarlayın.
    6. Yem ve retentate iğne vanaları ayarlayarak süpürme yan ve permeate yan 0.1 MPa basınç sırasıyla korumak.
    7. Kararlı bir duruma kurulduktan sonra permeance hesaplayın.
    8. Yavaş yavaş fırında (yaklaşık 2 h) 30 ° c sakin ve kararlı bir duruma kurulduktan sonra değerlerini yeniden kaydedin.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Ev yapımı EPD set-up MOF filimler (Şekil 1) sentezlemek için kullanıldı. Elektron mikroskobu (SEM) görüntüleri ve x-ışını kırınım (XRD) tarama desenleri ZIF-8 çekirdek film (Şekil 2) için toplanmıştır. SEM yüzey ve kesitsel türleri morfoloji AAO destek, ZIF-8/AAO membran, PAN desteği, ZIF-8/PAN membran, ZIF-8/grafen film ve ZIF-7/AAO membran (Şekil 3) görüntü için kullanıldı. ZIF-8 membranlar gaz permeance ısı kontrollü membran modülünde (Şekil 4) ölçüldü. ZIF-8/AAO ve ZIF-8/PAN membranlar elde edilen gaz ayırma performansını Şekil 5' te gösterilen. SEM görüntüleri türleri morfoloji çekirdeği filmler veya MOF filmleri anlamak için kullanılmıştır. XRD desen çekirdek film crystallinity belirlemek için kullanılmıştır. Gaz permeance veri MOF membran taşıma özelliklerini analiz etmek için kullanılmıştır. Kompakt çekirdeği film ENACT yöntemi bir substrat heterojen çekirdekleşme yoğunluğu kontrolünde oldukça verimli olduğunu gösterir. Sonrası büyüme, SEM tarafından gözlenen film morfoloji kompakt ve iğne deliği-alerjik ve son derece intergrown gibi görünüyor. Gaz permeance veri H2/C3H8 seçicilik MOF filmin neredeyse kanıtlayan 1000 yüksek olduğunu göstermektedir kusur-alerjik.

Figure 1
Şekil 1: EPD set-up. (bir) bir AAO substrat Cu bir elektrot teyp iki şeritler tarafından eklenir. (b) A paralel derleme anot ve katot bir güç kaynağına bağlı. (c) paralel elektrotlar bir habercisi sol. dalmış Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 2
Şekil 2: SEM görüntüleri ve ZIF-8 çekirdek film şekillerinin XRD. İlk iki panel (bir) ZIF-8 çekirdek film SEM üst görünüm görüntüsünü AAO destek ve (b) karşılık gelen kesitsel morfoloji göster. (c) Bu panel XRD desenleri çekirdeği filmin (kırmızı) ve simüle kristaller (siyah) gösterir. Bu karakterizasyonu ZIF-8 çekirdek film kompakt, ultrathin ve kristal olduğunu ispat. Bu rakam o vd çoğaltılamaz 10 iznine sahip. Telif hakkı Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 3
Şekil 3: yüzey/çapraz-sectional türleri morfoloji. Bu paneller yüzey görüntüleri ve (bir) AAO destek, (b ve c) kesit türleri morfoloji ZIF-8/AAO membran, (d) PAN destek ve (e ve f) göstermek ZIF-8/PAN membran. Bu karakterizasyonu ZIF-8 filmler AAO ve PAN desteği son derece intergrown ve ultrathin olduğunu göstermektedir. Bu rakam o vd çoğaltılamaz 10 iznine sahip. Telif hakkı Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 4
Şekil 4: membran modülün gaz permeance ölçüm için. ZIF-8 membranlar bu modül içinde mühürlü. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Figure 5
Şekil 5: Elde edilen gaz ayırma performansını ZIF-8/AAO ve ZIF-8/PAN membranlar.
İlk iki panel gaz permeance için (bir) bir ZIF-8/AAO kinetik çapı ve 25 ° C ve 0.1 MPa (b) bir ZIF-8/PAN membran bir fonksiyonu olarak göster. Diğer iki panel ZIF-8/AAO ve (d) ZIF-8/PAN membran kinetik çapı (c) için bir fonksiyonu olarak ideal selectivity gösterir. Bu rakamlar ZIF-8 membranlar neredeyse olduğunu gösteren ZIF-8 membranlar mükemmel gaz ayırma performans göstermek kusur-alerjik. Bu rakam o vd çoğaltılamaz 10 iznine sahip. Telif hakkı Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

ENACT yöntemi ile ilgili mevcut yöntemleri15 çarpıcı özelliği ENACT yöntemi son derece intergrown, ultrathin MOF filmleri geniş gözenekli ve gözeneksiz yüzeylerde bir sentez sağlar olduğunu. Bu yöntem oldukça basit MOF filmleri sentezi için yapma herhangi bir Substrat Önarıtma önlenmiş olur. EPD ekipman bir çekirdek film ifade için kullanılacak olsa da, ekipman bir güç kaynağı, bir metal elektrot ve oldukça basit ve erişilebilir bir ölçek oluşur. Bizce bu facile ENACT Yöntem kristal filmleri geniş bir sentezi için uzatılabilir.

ENACT, hazırlık Protokolü nispeten basit olduğu gibi uygulanması kolay bir işlemdir. Bu, özellikle bile oda sıcaklığında, MOF'lar gibi hızlı büyüme kinetik görüntülemek kristaller bir grup için geçerlidir. Tüm sentez süreci içine 3 genel adımlar bölünebilir: i) II) elektrik alanı (çekirdeklerin büyüklüğüne) önceden hesaplanmış başlangıçlı teker bir istenen süre n yatırmak için dönüm bir habercisi sol elektrot derlemede kurma uclei film ve III) çekirdeği film habercisi sol için büyüme ve sonraki intergrowth sırılsıklam. Bu işlem kristal malzeme bir dizi için adapte edilebilir. Tek önkoşul indüksiyon zaman, boyutu, çekirdek yoğunluğu ve zeta potansiyel bilgisidir. Bu bilgi Morfoloji ve büyüme jel üzerinden çekirdek crystallinity tarafından TEM ve elektron kırınım karakterize ve zeta potansiyel ölçme elde edilebilir.

Başarılı bir sentez yüksek kaliteli MOF filmler için üç kritik konuları vardır. (i) elektroforetik yeminli ifade sadece indüksiyon süre sonra yapılmalıdır. Bunun için habercisi sol çekirdeklerin evrimi spektroskopik tarafından analiz gereklidir veya kırınım veya mikroskobik teknikler. (ii) çekirdeklerin elektroforetik ifade kritik bir adımdır. Bu adımda, gerilim ve biriktirme zaman seçiminde dikkatli bir şekilde yapılmalıdır. Çok yüksek bir voltaj veya çok uzun bir ifade zaman kalın çekirdeği film birikimi neden olabilir ve kalın bir MOF filmin içine sonraki büyüme membran genel performansını azaltır. Öte yandan, küçük bir gerilim için küçük bir elektrik alanı yol açacak ve kalitesiz film için yol açabilir. (iii) kristal büyüme adımda büyüme zaman elde edilen MOF filmin son derece intergrown olduğundan emin olmak için yeterince uzun olmalıdır. Son derece intergrown bir film elde edilir önce habercisi sol besin tükenmiş olan taze habercisi sol kullanılabilir.

Şekil 1a Cu elektrot (katot) bağlı bir substrat gösterir. Şekil 1b paralel derleme bir güç kaynağına bağlı anot ve katot göstermektedir. Elektrotlar MOF film (Şekil 1 c) sentezi için bir öncü jel daldırılır. Çekirdekleri, kompakt ve EPD 4 dk sonra 100 nm-kalın ZIF-8 çekirdek film AAO desteğinde rakamlar 2a ve 2B'yigösterildiği gibi oluşur. Film 40 civarında ortalama büyüklüğü ile ZIF-8 çekirdekleri oluşur nm. Bir XRD (Şekil 1 c) filmin çekirdek film ZIF-8 kristalleri yapılmış olduğunu doğrular.

ZIF-8 film kalınlığı 500 ile intergrown son derece kompakt ve nm oluşturulur sentez sol 10 h (Şekil 3a - 3 c) için çekirdek film ayrıldıktan sonra AAO destek. Bir daha ince ZIF-8 film (360 nm) oluşturulur gözenekli PAN desteği (rakamlar 3d - 3f). Farklı film kalınlıkları gözenek boyutu AAO ve gözenekli PAN desteği farklılıkları nedeniyle biraz farklı heterojen çekirdekleşme yoğunluğu bağlanabilir.

ZIF-8 membranlar gaz permeance Şekil 4' te gösterilen membran modülündeki mercek altına alındı. Şekil 5 H2, CO2, N2, CH4, C3H6ve C3H8 için tek-gaz Permeasyon sonuçlar ZIF-8/AAO ve ZIF-8/PAN membranlar gösterir. ZIF-8/AAO membran 8,3 10-6 mol m-2 s-1 Pa-1, x, oldukça yüksek bir H2 permeance ve H2Co2, H2/n2, H2 ideal selectivities gösterir /CH4, H2/C3H6, H2/C3H6ve H2/C3H8 vardır 7.3 ± 0,3, 15.5 ± 1.4, 16,2 ± 1.4, 83,9 ± 7,4 ve 2655 ± 131, sırasıyla; çok ilgili Knudsen selectivities daha yüksek. Bu yüksek ayırma performans ultrathin seçici katmana atfedilen MOF membranlar arasında en iyi biridir (500 nm) ve membran neredeyse kusur-Alerjik özelliği. ZIF-8/AAO membran ayrıca 31,6 bir ideal propilen/propan seçicilik ile 9,9 x 10-8 mol m-2 s-1 Pa-1 , yüksek C3H6 permeance gösterir. AAO-taraftar, 500 nm-kalın ZIF-8 film gösterisinden propilen arıtma için en iyi ayrılık performanslarından birini propan (edebiyat ile kapsamlı bir karşılaştırma o vd.eseri bulunmaktadır.) 10.

ZIF-8/PAN membran 6,1 x 10-7 mol m-2 s-1 Pa, bir H2 permeance gösterir-1ve ideal selectivities H2Co2, H2H2/CH4H2/n2/C 3 H6, H2/C3H6ve H2/C3H8 3.3, 13.3, 11,4, 79.0 ve 187 vardır. ZIF-8/PAN zar daha düşük gaz permeance çok anlamlı olarak daha yüksek gaz taşıma direnç AAO bundan9çekmek için karşılaştırıldığında PAN destek kaynaklanmaktadır.

Özet olarak, biz bir tekrarlanabilir kristalizasyon protokol MOF Filmler ve membranlar için mevcut. ENACT yaklaşım araştırmacılar tam olarak heterojen çekirdekleşme elektrik alan ve ifade, zaman bile seyreltilmiş öncü çözüm değiştirerek kontrol sağlar. Farklı büyüme koşullarını seçerek film büyüme bağımsız olarak kontrol edilebilir ve sonuç olarak, yüksek performanslı membranlar sentez.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Yazarlar ifşa gerek yok.

Acknowledgments

Ev bizim kurum, anıyoruz École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), onun cömert desteği. Bu proje Avrupa Birliği'nin ufuk 2020 araştırma fon aldı ve yenilik programı Marie Skłodowska-Curie altında Hibe Sözleşmesi No 665667. Yazarlar Pascal Alexander Schouwink XRD ile yardım için teşekkür ederiz.

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