Elettroforetica cristallizzazione delle membrane ultrasottile ad alte prestazioni Metal-organic frameworks

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

Un approccio semplice, riproducibile e versatile per la sintesi delle membrane di metal-organic frameworks policristallino aderenti, su una vasta gamma di non modificato poroso e supporti non poroso è presentato.

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

Segnaliamo la sintesi delle membrane struttura metallo-organica (MOF) sottile, altamente aderenti, policristallino su una vasta gamma di supporti porosi e non porosi non modificati (polimeri, ceramica, metallo, carbonio e grafene). Abbiamo sviluppato una tecnica di cristallizzazione del romanzo, che è definita l'approccio ENACT: l'Assemblea di nuclei elettroforetica per la cristallizzazione di film sottili altamente aderenti (ENACT). Questo approccio consente un'alta densità di nucleazione eterogenea di MOF su un substrato selezionate tramite la deposizione elettroforetica (EPD) direttamente dal sol precursore. La crescita dei nuclei MOF ben imballati conduce ad una pellicola MOF policristallino altamente aderenti. Vi mostriamo questo semplice approccio può essere utilizzato per la sintesi di zeolite sottili, aderenti imidazolo framework (ZIF) -7 e film ZIF-8. Le membrane di ZIF-8 nm di spessore 500 risultante Visualizza un notevolmente elevata permeanza di2 H (8,3 x 10-6 mol m-2 s-1 Pa-1) e gas ideale selettività (7,3 per H2Co2, 15.5 per H2/n2, 16.2 per H2/CH4e 2655 per H2/c3H8). Una performance attraente per C3H6/c3H8 separazione è anche raggiunto (una C3H6 permeanza di 9,9 x 10-8 mol m-2 s-1 Pa-1 e C3H 6/c3H8 ideale selettività di 31,6 a 25 ° C). Nel complesso, il processo ENACT, a causa della sua semplicità, può essere esteso per sintetizzare aderenti pellicole sottili di una vasta gamma di materiali cristallini nanoporosi.

Introduction

Sottili membrane di setacciamento molecolare offrono un'alta energia efficienza nella separazione di molecole e possono ridurre il costo complessivo della cattura di CO2 , depurazione delle acque, recupero solventi, combustibili, ecc.1,2. MOF sono una promettente classe di materiale per la sintesi delle membrane di setacciamento molecolare a causa della chimica sintetica isoreticular coinvolti e cristallizzazione relativamente semplice3. Fino ad oggi, MOF membrane è composto da diverse strutture cristalline, tra cui che ZIF-4, -7, -8, -9, -11, -67, -90 e -93 e UiO-66, HKUST-1 e MIL-53 sono stati segnalati4,5. Queste membrane sono sintetizzate da cristallizzare il film MOF policristallini di alta qualità su un supporto poroso. In genere, per ottenere una selettività di separazione ad alta, è necessario ridurre i difetti nel film policristallino MOF (ad esempio fori di spillo e difetti di granulo-confine). Un approccio conveniente per ridurre i difetti è quello di cristallizzare una pellicola spessa. Non sorprendentemente, molti dei precedenti segnalati su MOF membrane sono estremamente spesse (oltre 5 µm). Purtroppo, film spessi portare a un percorso di diffusione per lungo, che limita la permeanza di membrana. Pertanto, mentre la selettività è migliorato, permeanza è sacrificato. Per ovviare a questo compromesso, è imperativo sviluppare metodi per cristallizzare ultrasottile (< 0,5 µm spessore), film MOF privo di difetti.

ZIF-8 è il più studiato intensivamente MOF per la sintesi di membrana, grazie alla sua eccezionale stabilità chimica e termica e un semplice cristallizzazione chimica6,7. Finora, le membrane di ZIF-8 ultrasottile segnalate sono state realizzate modificando la chimica delle superfici o la topologia del sottostante substrato poroso, che favorisce la nucleazione eterogenea di ZIF-8, che è essenziale per un film policristallino aderenti. Per esempio, Chen et al. segnalato la sintesi di 1 film di ZIF-8 µm di spessore (3-amminopropil) per volta trietossisilano TiO2-rivestito poly(vinylidene fluoride) (PVDF) hollow fibre8. Hanno osservato una densità alta nucleazione eterogenea e attribuito alla modifica simultanea della chimica delle superfici e nanostrutture. Il gruppo di Peinemann ha una membrana ultrasottile di ZIF-8 su un metallo-chelante, polythiosemicarbazide (PTSC) supporto9. Questa capacità unica di metallo-chelante di PTSC ha portato all'associazione degli ioni dello zinco, promuovendo la nucleazione eterogenea di ZIF-8 che, successivamente, hanno condotto alle membrane ZIF-8 ad alte prestazioni. In generale, ottimizzazione della chimica del substrato e la nanostruttura facilita la sintesi delle membrane MOF ad alte prestazioni; Tuttavia, questi metodi sono piuttosto complessi e solitamente non possono essere riapplicati per sintetizzare le membrane MOF da altre interessanti strutture MOF.

Qui, segnaliamo la sintesi di ultrasottile, altamente sovrappostisi ZIF-8 pellicole utilizzando un approccio di cristallizzazione semplice e versatile che può essere riapplicato formando una sottile pellicola aderenti di diversi materiali cristallini10. Vi mostriamo esempi di ZIF-8 e ZIF-7 film preparato senza alcun pretrattamento del substrato, che semplifica notevolmente il processo di preparazione. Le pellicole di ZIF-8 sono preparate su una vasta gamma di substrati (ceramica, polimeri, metalli, carbonio e grafene). Il film di ZIF-8 nm di spessore 500 su un supporto di ossido di alluminio anodico (AAO) Visualizza una performance di separazione attraente. Un alta permeanza di2 H 8,3 x 10-6 mol m-2 s-1 Pa-1 e selettività attraente ideale di 7.3 (H2Co2) 15,5 (H2/n2), 16,2 (H2/CH4) e 2655 (H 2/c3H8) sono raggiunti.

L'approccio di cristallizzazione che consente la suddetta impresa è ENACT. ENACT depositi ZIF-8 nuclei su un substrato direttamente da sol precursore del cristallo. L'approccio utilizza EPD per un brevissimo periodo di tempo (1-4 min) subito dopo il tempo di induzione (il tempo quando i nuclei appaiono in sol precursore). L'applicazione di un campo elettrico dei nuclei di MOF carica li spinge verso un elettrodo con un flusso che è proporzionale alla resistenza del campo elettrico applicato (E), la mobilità elettroforetica del colloide (μ) e la concentrazione di nuclei (Cn) come mostrato nelle equazioni 1 e 2.

Equation 1
(Equazione 1)

Equation 2
(Equazione 2)

Qui,
v = la velocità di deriva,
Ζ = il potenziale zeta dei nuclei,
Εo = la permittività del vuoto,
Εr = costante dielettrica, e
Η = viscosità della sol precursore.

Pertanto, controllando E e il pH della soluzione (che determina ζ), la densità di intasamento dei nuclei può essere controllata. La conseguente crescita dei nuclei densamente imballato in sol precursore permette ai ricercatori di ottenere un film altamente aderenti policristallino.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Attenzione: Leggere attentamente le schede di sicurezza (MSDS) delle sostanze chimiche coinvolte. Alcuni dei prodotti chimici usati nell'esperimento sono tossici. Il presente metodo coinvolge la sintesi di nanoparticelle. Di conseguenza, prendere le opportune precauzioni. La procedura di sintesi intero deve essere eseguita in una cappa ben ventilata.

Nota: I dettagli degli strumenti, le sostanze chimiche e i materiali coinvolti nella sintesi dei film MOF sono elencati nella tabella 1.

1. preparazione di una soluzione di sale metallico e Linker soluzione per il Sol precursore

Nota: Per la sintesi di film ZIF-8, zinco nitrato esaidrato [Zn (NO3)2.6h2O] viene utilizzato come il metallo sale e 2-metilimidazolo (HmIm) viene utilizzato come il linker.

  1. Per la soluzione di sale metallica, sciogliere 2,75 g di Zn (NO3)2.6h2O in 500 mL di acqua.
  2. Per la soluzione del linker, sciogliere g 56,75 di HmIm in 500 mL di acqua e mescolare continuamente fino ad ottenuta una soluzione limpida.

2. preparazione di elettrodi Cu

  1. Tagliare una lamina di rame ad elevata purezza (con purezza 99.9%, 127 µm di spessore) in pezzi di 4 x 4 cm.
  2. Per la facilità di serraggio il foglio tagliati a un set di pinze a coccodrillo Cu, tracciare una linea ad una distanza di 0,5 cm da uno dei bordi del foglio quadrato.
  3. Appiattire la pellicola usando un rullo cilindrico su una superficie pulita.
  4. Pulire accuratamente i fogli di rame di sonicazione vasca in acetone per 15 minuti, seguito da sonicazione vasca in isopropanolo per 15 min.
  5. Asciugare i fogli di rame in un ambiente pulito.

3. pignoramento di substrati per l'elettrodo (catodo)

Nota: Ha scelto un substrato appropriato per depositare il film MOF. Il metodo può essere applicato a AAO (Anodisc, pori hosting di 13 mm di diametro con un diametro dei pori di 0.1 µm), poliacrilonitrile (PAN, peso molecolare cut-off: 100 kDa), Cu lamina (99,9% di purezza, 25 µm di spessore), un film di grafene vapor-deposizione-base chimica che riposa su un Lamina cu11e una pellicola di carbonio nanoporosi fatti in casa che riposa sul foglio Cu12,13,14.

  1. Posizionare con attenzione il substrato desiderato sul centro dell'elettrodo Cu utilizzando un nastro.
  2. Sciacquare il substrato/elettrodo con acqua, seguita da isopropanolo ed ancora con acqua per circa 1 min.
  3. Applicare un elettrodo Cu nudo (4 x 4 cm) verso l'anodo. Quindi montare il substrato/elettrodo al catodo.
  4. Regolare la separazione tra i due elettrodi a 1 cm all'interno di un becher di vetro da 100 mL.

4. mettere in atto Procedure per il Film di ZIF-8

  1. Mescolare 31,6 g della soluzione metallo precursore e 35 g di soluzione legante in un becher da 100 mL e mescolare per 30 s a temperatura ambiente per formare il sol di precursore.
    Nota: Il tempo di induzione di ZIF-8 in queste condizioni è minore di 60 s e, di conseguenza, l'EPD è da effettuarsi senza indugio.
  2. Trasferire il sol precursore alla nave hosting gli elettrodi.
  3. Immergere entrambi gli elettrodi fino al segno di 3,5 cm sugli elettrodi.
    Nota: Dai nostri esperimenti, abbiamo osservato che l'applicazione del campo elettrico prima 3 min di invecchiamento sol conduce alla penetrazione dei piccoli nuclei ZIF-8 nei pori delle superfici porose (AAO in questo caso particolare), che deve essere evitato. Di conseguenza, il campo elettrico è attivato solo dopo 3 minuti, quando i nuclei crescono un po' più grandi.
  4. Svolgere l'EPD con una tensione di deposizione di 1 V per 4 min. La corrente dovrebbe essere nella gamma di 2.5-3.5 mA.
  5. Alla fine della EPD, abbassare lentamente il bicchiere. Come l'adesione tra i nuclei appena depositati e il substrato è debole, si deve prestare attenzione massima mentre si maneggia il substrato.
  6. Trasferire il substrato essiccato in un vetrino al microscopio. Utilizzare nastro per tenere il substrato sul posto.
  7. Per sviluppo di cristallo, mescolare 31,6 g di soluzione di sale metallica e 35 g della soluzione del linker in un becher da 100 mL.
  8. Posizionare il vetrino al microscopio con il substrato verticalmente nella soluzione precursore e lasciarlo indisturbato per 10 h a 30 ° C.
  9. Dopo fino a 10 h di crescita dei cristalli, risciacquare il substrato con acqua per 30 min e asciugare in un ambiente pulito.

5. la procedura a ricostruire per il Film di ZIF-7

  1. Sintetizzare il film ZIF-7 su un supporto AAO di un metodo simile a quello utilizzato per il film di ZIF-8 ma con le seguenti differenze.
  2. Dopo la miscelazione 0,82 g di Zn (NO3)2·6H2O in 30 mL di dimetilformammide (DMF) e 0,72 g di benzimidazolo in 30 mL di metanolo per 3 min, eseguire l'EPD per 1 min.
  3. Sintetizzare un film ZIF-7 aderenti immergendo il film di nuclei di ZIF-7 in un sol precursore contenente 0,58 g di Zn (NO3)2·6H2O, 0,3 g di benzimidazolo e 30 mL di DMF a 110 ° C per 4 h.
  4. Dopo aver fatto raffreddare la soluzione, è necessario lavare la membrana ZIF-7/AAO immergendolo in DMF, seguita da asciugatura a 60 ° C per 12 h.

6. membrana preparazione e caratterizzazione

  1. Preparazione della membrana
    1. Per la preparazione di un sigillante, mescolare accuratamente una proporzione uguale della resina e l'indurente e lasciare la miscela per 1 h.
    2. Collocare le membrane di supporto/ZIF-8 su un disco in acciaio di 24 mm di larghezza con un foro di 5 mm di diametro al centro.
    3. Applicare la resina epossidica lungo i bordi del substrato in un primo momento e, successivamente, coprire il substrato tranne il 5 mm-diametro del foro al centro.
    4. Consentire la resina epossidica per asciugare durante la notte.
    5. Utilizzare un microscopio stereo per analizzare la membrana insieme con una scala di riferimento noto.
    6. Utilizzare software di grafica per calcolare la superficie esposta della membrana dall'immagine acquisita.
  2. Test di permeazione di gas
    Nota: Nei nostri esperimenti, le prove di permeazione di gas singolo-componente sono state effettuate mediante la tecnica di Wicke-Kallenbach in una cella di permeazione fatti in casa. Il mass flow controller (MKS) e spettrometro di massa utilizzato nella confi gurazione di permeazione sono stati calibrati entro un range di errore del 5%. Mass flow controller (MFC) regolato il feed e la portata del gas di sweep. AR è usato come il gas di espulsione che ha trasportato il gas permeato di uno spettrometro di massa (MS) calibrato per un'analisi in tempo reale della concentrazione permeato.
    1. Posizionare il disco in acciaio con la membrana nella cella in acciaio inox permeazione.
    2. Garantiscono una vestibilità tenuta inserendo Viton O-ring sopra e sotto il disco in acciaio e stringere le viti. Per rimuovere l'acqua adsorbita durante la sintesi, asciugare le membrane a 130 ° C in un'atmosfera di /Ar2H fino a raggiunta una costante permeanza di2 H.
    3. Inserire il set-up all'interno del forno e impostare la temperatura a 130 ° C.
    4. Assicurare l'alimentazione e lo sweep linee vengono preriscaldati.
    5. Impostare la velocità di flusso del gas sui lati sweep a 30 mL/min e il feed.
    6. Mantenere una pressione di 0.1 MPa al feed e il lato di sweep regolando le valvole a spillo il retentato e il permeato, rispettivamente.
    7. Calcolare la permeanza dopo aver stabilito uno stato stazionario.
    8. Lentamente raffreddare il forno (a circa 2 h) a 30 ° C e registrare i valori ancora una volta uno stato stazionario è stabilito.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Un set-up EPD fatti in casa è stato utilizzato per sintetizzare le pellicole MOF (Figura 1). Scansione di immagini di microscopia elettronica (SEM) e diffrazione di raggi x (XRD) modelli sono stati raccolti per il film di nuclei di ZIF-8 (Figura 2). SEM è stato utilizzato all'immagine le morfologie di superficie ed a sezione trasversale di supporto AAO, membrana ZIF-8/AAO, supporto della vaschetta, membrana ZIF-8/PAN, film ZIF-8/grafene e membrana ZIF-7/AAO (Figura 3). La permeanza di gas delle membrane ZIF-8 è stata misurata in un modulo di controllo della temperatura della membrana (Figura 4). Le prestazioni di separazione gas ottenuti delle membrane ZIF-8/AAO e ZIF-8/PAN sono illustrata nella Figura 5. Le immagini di SEM sono state utilizzate per capire le morfologie del film di nuclei o il film MOF. XRD modelli sono stati utilizzati per determinare la cristallinità del film i nuclei. Dati di permeanza di gas sono stati utilizzati per analizzare le proprietà di trasporto delle membrane MOF. Il film di nuclei compatti dimostra che il metodo ENACT è abbastanza efficace nel controllare la densità di nucleazione eterogenea sopra un substrato. Post-crescita, la morfologia di pellicola osservata da SEM è compatto e privo di foro di spillo e sembra essere molto aderenti. I dati di permeanza gas mostrano che la selettività di8 H3H/c2è superiore a 1.000, dimostrando che il film MOF è quasi privo di difetti.

Figure 1
Figura 1: set-up The EPD. (un) An AAO substrato è collegato ad un elettrodo Cu da due strisce di nastro adesivo. (b) un montaggio parallelo del catodo e l'anodo è collegato a una fonte di alimentazione. (c) il parallelo elettrodi sono immersi in un Sol precursore Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2: immagini al SEM e XRD modelli del film i nuclei ZIF-8. I primi due pannelli mostrano (un) un'immagine di vista dall'alto di SEM del film ZIF-8 nuclei sul supporto AAO e (b), la morfologia della sezione trasversale corrispondente. (c) questo pannello mostra modelli di XRD del film i nuclei (rosso) e dei cristalli simulati (nero). Queste caratterizzazioni dimostrano che il film di nuclei di ZIF-8 è compatto, ultrasottile e cristallina. Questa figura è riprodotto dal He et al. 10 con permesso. Copyright Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
Figura 3: morfologie di superficie/cross-sectional. Questi pannelli mostrano immagini di superficie e morfologie della sezione trasversale di (un) il AAO supporto, (b e c) la ZIF-8/AAO membrana, (d), il PAN supporto e (e e f) della membrana di ZIF-8/PAN. Queste caratterizzazioni dimostrano che le pellicole di ZIF-8 sul supporto AAO e PAN sono altamente aderenti e ultrasottile. Questa figura è riprodotto dal He et al. 10 con permesso. Copyright Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 4
Figura 4: il modulo della membrana per la misurazione di gas permeanza. Le membrane di ZIF-8 sono sigillate all'interno di questo modulo. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 5
Figura 5: Le prestazioni di separazione gas ottenuti delle membrane ZIF-8/AAO e ZIF-8/PAN.
I primi due pannelli mostrano la permeanza di gas in funzione del diametro cinetico per (un) un ZIF-8/AAO e membrana (b) un ZIF-8/PAN a 25 ° C e 0,1 MPa. Gli altri due pannelli mostrano la selettività ideale in funzione del diametro cinetico per (c) la ZIF-8/AAO e (d), la membrana di ZIF-8/PAN. Queste cifre indicano le prestazioni di separazione gas eccellente delle membrane ZIF-8, che indica che le membrane di ZIF-8 sono quasi privo di difetti. Questa figura è riprodotto dal He et al. 10 con permesso. Copyright Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

La caratteristica più rappresentative del metodo ENACT per quanto riguarda i metodi esistenti15 è che il metodo ENACT consente la sintesi di film MOF altamente aderenti, ultrasottile su una vasta gamma di substrati porosi e non porosi. Qualsiasi pretrattamento del substrato è evitato, rendendo questo metodo piuttosto semplice per la sintesi di film MOF. Anche se attrezzature EPD deve essere utilizzato per la deposizione di un film di nuclei, l'attrezzatura è composta di una fonte di alimentazione, un elettrodo metallico e un bicchiere, che è abbastanza semplice e accessibile. Crediamo che questo metodo ENACT facile può essere estesa alla sintesi di una vasta gamma di film cristallini.

Il processo ENACT è semplice da implementare come il protocollo di preparazione è relativamente semplice. Questo vale soprattutto per un gruppo di cristalli che visualizzano la cinetica di crescita veloce anche a temperatura ambiente, ad esempio file MOF. Il processo di sintesi intero si può suddividere in 3 passi complessive: i) che istituisce l'elettrodo in un sol precursore, ii) ruotando il campo elettrico in un momento di insorgenza precalcolati (a seconda delle dimensioni dei nuclei) per un periodo di tempo per depositare la n desiderato uclei film e iii) ammollo il film di nuclei in sol precursore per la crescita e concrescimenti successive. Questo processo può essere adattato per una gamma di materiali cristallini. L'unico prerequisito è la conoscenza del tempo di induzione, la dimensione, la densità di nuclei e il potenziale zeta. Queste informazioni possono essere ottenute che caratterizza la morfologia e la cristallinità dei nuclei dal gel crescita dalla diffrazione TEM ed elettrone e misurando il potenziale zeta.

Per la riuscita sintesi di alta qualità, film MOF, ci sono tre considerazioni critiche. (i) la deposizione elettroforetica dovrebbe essere effettuata solo dopo il tempo di induzione. Per questo, è necessario analizzare l'evoluzione dei nuclei in sol precursore di spettroscopica o diffrazione o tecniche microscopiche. (ii) la deposizione elettroforetica dei nuclei è un passo fondamentale. In questo passaggio, la scelta della tensione e deposizione del tempo dovrebbe avvenire attentamente. Una tensione troppo elevata o un tempo di deposizione che è troppo lungo potrebbe portare alla deposizione di un film di spessore nuclei, e la conseguente crescita in un film MOF spesso diminuisce le prestazioni complessive della membrana. D'altra parte, una piccola tensione porterà ad un piccolo campo elettrico e può portare alla pellicola di scarsa qualità. (iii) nella fase di crescita di cristallo, il tempo di crescita dovrebbe essere sufficientemente lungo per garantire che il film MOF risultante è altamente aderenti. Se le sostanze nutritive in sol precursore sono esaurite prima si ottiene una pellicola altamente aderenti, un sol precursore fresco può essere utilizzato.

Figura 1a Mostra un substrato legato all'elettrodo Cu (catodo). Figura 1b illustra il montaggio parallelo del catodo e l'anodo collegato a una fonte di alimentazione. Gli elettrodi sono immersi in un gel di precursore per la sintesi del film MOF (Figura 1C). Dopo 4 min di EPD dei nuclei, un compatto, 100 nm di spessore ZIF-8 nuclei pellicola è formata sul supporto AAO, come mostrato nelle figure 2a e 2b. Il film è composto da nuclei di ZIF-8 con una dimensione media di circa 40 nm. Un XRD del film (Figura 1C) verifica che il film di nuclei è costituito da cristalli di ZIF-8.

Un compatto, altamente aderenti film ZIF-8 con uno spessore di 500 nm viene generato sul supporto AAO dopo aver lasciato la pellicola di nuclei in sol sintesi per 10 h (figure 3a - 3C). Una sottile pellicola di ZIF-8 (360 nm) viene generato il supporto poroso di PAN (figure 3d - 3f). Gli spessori differenti della pellicola possono essere attribuiti ad una densità di nucleazione eterogenea leggermente diversa a causa delle differenze nel formato del poro di AAO e il supporto poroso di PAN.

La permeanza di gas delle membrane ZIF-8 è testato nel modulo membrana illustrato nella Figura 4. La figura 5 Mostra i risultati del singolo-gas permeazione per H2, CO2, N2, CH4, C3H6e C3H8 da ZIF-8/AAO e membrane ZIF-8/PAN. La membrana di ZIF-8/AAO Mostra un notevolmente elevata permeanza di2 H 8,3 x 10-6 mol m-2 s-1 Pa-1e la selettività ideale di H2Co2, H2/n2, H2 /CH4, H2/c3H6, H2/c3H6e H2/c3H8 sono 7,3 ± 0,3, 15,5 ± 1.4, 16,2 ± 1.4, 83,9 ± 7.4 e 2655 ± 131, rispettivamente; molto superiore la selettività di Knudsen corrispondente. Questa performance alta separazione è uno dei migliori tra membrane MOF, che è attribuito al livello selettivo ultrasottile (500 nm) e la caratteristica quasi privo di difetti della membrana. La membrana di ZIF-8/AAO Mostra anche un alto C3H6 permeanza di 9,9 x 10-8 mol m-2 s-1 Pa-1 con una selettività di propilene/propano ideale di 31,6. Il AAO-sostenuto, 500 nm di spessore ZIF-8 film Visualizza una delle migliori prestazioni di separazione per la purificazione di propilene da propano (un confronto completo con la letteratura è disponibile nel lavoro da lui et al.) 10.

La membrana di ZIF-8/PAN Mostra un permeanza di2 H di 6.1 x 10-7 mol m-2 s-1 Pa-1e la selettività ideale di H2Co2, H2/n2, H2/CH4, H2/c 3 H6, H2/c3H6e H2/c3H8 sono 3.3, 13.3, 11.4, 79,0 e 187. La permeanza di gas inferiore dalla membrana ZIF-8/PAN è principalmente dovuto alla resistenza di trasporto del gas significativamente dal PAN di supporto rispetto a che dal AAO sostengono il9.

In sintesi, vi presentiamo un protocollo riproducibile cristallizzazione per MOF film e membrane. L'approccio ENACT permette ai ricercatori di controllare con precisione la nucleazione eterogenea alterando il campo elettrico e il tempo di deposizione, anche da una soluzione diluita di precursore. La crescita può essere controllata in modo indipendente scegliendo diverse condizioni di crescita e, di conseguenza, possono essere sintetizzate le membrane ad alte prestazioni.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Gli autori non hanno nulla a rivelare.

Acknowledgments

Riconosciamo il nostro Istituto di appartenenza, il École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), per il suo generoso sostegno. Questo progetto ha ricevuto un finanziamento dell'Unione europea Horizon 2020 ricerca e programma di innovazione sotto il Marie Skłodowska-Curie di sovvenzione n. 665667. Gli autori ringraziano Pascal Alexander Schouwink per il suo aiuto con 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