Elektroforetisk krystallisering af ultratynde højtydende Metal-økologiske rammer membraner
Summary
En simpel, reproducerbare og alsidig tilgang til syntese af intergrown, polykrystallinske metal-økologiske rammer membraner på en bred vifte af umodificerede porøse og ikke-porøse understøtter præsenteres.
Abstract
Vi rapporterer syntesen af tynd, stærkt intergrown, polykrystallinske metal-økologisk framework (MOF) membraner på en bred vifte af umodificerede porøse og ikke-porøse understøtter (polymer, keramik, metal, kulstof og graphene). Vi udviklede en roman krystallisering teknik, som kaldes ENACT tilgangen: elektroforese kerner forsamling for krystalliseringen af stærkt intergrown tynde film (ENACT). Denne tilgang giver mulighed for en høj tæthed af heterogene Nukleering af MOF’erne på en valgte substrat via elektroforese deposition (EPD) direkte fra forløber sol. Væksten i godt pakket MOF kerner fører til en meget intergrown polykrystallinske MOF film. Vi viser, at denne enkle metode kan bruges til syntese af tynde, intergrown zeolit imidazol ramme (ZIF) -7 og ZIF-8 film. De resulterende 500 nm tykke ZIF-8 membraner viser en betydelig høj Hansen2 permeance (8.3 x 10-6 mol m-2 s-1 Pa-1) og ideal gas selectivities (7.3 for H2/CO2, 15,5 for H2/n2, 16.2 for H2/CH4og 2655 for H2c3H8). En attraktiv ydeevne for C3H6c3H8 adskillelse er også opnåede (en C3H6 permeance af 9,9 x 10-8 mol m-2 s-1 Pa-1 og en C3H 6c3H8 ideelle selektivitet 31,6 ved 25 ° C). Samlet set kan ENACT-processen på grund af sin enkelhed, udvides til at syntetisere intergrown tynde film af en bred vifte af nanoporous krystallinske materialer.
Introduction
Tynde molekylære sieving membraner tilbyder en højenergi effektivitet i adskillelsen af molekyler og kan reducere de samlede omkostninger af brændstoffer, CO2 -opsamling, rensning af vand, opløsningsmidler opsving, etc.1,2. MOF’erne er en lovende klasse af materiale til syntese af molekylære sieving membraner på grund af de involverede isoreticular syntetisk kemi og relativt ligetil krystallisering3. Til dato, MOF membraner bestående af forskellige krystallinske strukturer, herunder at ZIF-4, -7, -, 8 -9 -11,-67, -90, og-93, og UiO-66, HKUST-1 og MIL-53 har været rapporteret4,5. Disse membraner er syntetiseret af crystallizing høj kvalitet polykrystallinske MOF film på et porøst bærestof. Generelt, for at opnå en høj adskillelse selektivitet, er det nødvendigt at reducere fejl i filmens polykrystallinske MOF (såsom porer og korn-grænse defekter). En praktisk tilgang til at reducere manglerne er at krystallisere en tyk film. Ikke overraskende har flere af de tidligere rapporterede på MOF membraner er ekstremt tykke (over 5 µm). Desværre, tyk film føre til en lang diffusion sti, som begrænser membran permeance. Derfor, mens selektivitet er forbedret, permeance er ofret. For at omgå denne afvejning, er det nødvendigt at udvikle metoder til at krystallisere ultratynde (< 0,5 µm tykt) fejlfri MOF film.
ZIF-8 er mest intensivt undersøgt MOF for membran syntese, på grund af sin ekstraordinære kemisk og termisk stabilitet og en simpel krystallisering kemi6,7. Hidtil har har rapporteret ultratynde ZIF-8 membraner realiseret ved at ændre overfladekemi eller topologien for den underliggende porøse substrat, favorisere den heterogene Nukleering ZIF-8, der er afgørende for en intergrown polykrystallinske film. For eksempel, Chen mfl. rapporteret syntesen af 1 µm-tykke ZIF-8 film på (3-aminopropyl) triethoxysilane-ændret TiO2-coated poly(vinylidene fluoride) (PVDF) hule fibre8. De observerede en høj heterogene Nukleering tæthed og tilskrives det samtidige ændring af overfladen kemi og nanostrukturer. Gruppen Peinemann rapporterede en ultratynde ZIF-8 membran på en metal-chelaterende, polythiosemicarbazide (PTSC) support9. Denne unikke metal-chelaterende kapacitet af PTSC førte til binding af zink-ioner, fremme den heterogene Nukleering ZIF-8, som efterfølgende førte til højtydende ZIF-8 membraner. I almindelighed, letter tuning substrat kemi og nanostrukturer syntesen af højtydende MOF membraner; men disse metoder er ganske komplicerede, og normalt ikke kan genanvendes til at syntetisere MOF membraner fra andre attraktive MOF strukturer.
Heri, rapporterer vi syntesen af ultratynde, stærkt intergrown ZIF-8 film ved hjælp af en simpel og alsidig krystallisering tilgang, der kan genanvendes til at danne en tynd intergrown film af flere krystallinske materialer10. Vi viser eksempler på ZIF-8 og ZIF-7 film tilberedt uden nogen substrat forbehandling, som forenkler forberedelsesprocessen. ZIF-8 film er forberedt på en bred vifte af substrater (keramik, polymer, metal, kulstof og graphene). 500 nm tykke ZIF-8 filmen på en anodisk aluminiumoxid (AAO) støtte viser en attraktiv adskillelse ydeevne. En høj Hansen2 permeance af 8.3 x 10-6 mol m-2 s-1 Pa-1 og attraktive ideelle selectivities 7.3 (H2/CO2), 15,5 (H2/n2), 16.2 (H2/CH4) og 2655 (H 2c3H8) er opnået.
Den krystallisering tilgang, der muliggør ovennævnte kunststykket er ENACT. ENACT indskud ZIF-8 kerner på et substrat direkte fra de krystal forløber sol. Metoden udnytter EPD for en meget kort periode (1-4 min) lige efter induktion tid (tiden når atomkerner vises i forløber sol). Anvendelsen af et elektrisk felt til de ladede MOF kerner drev dem mod en elektrode med en flux, der er proportional med styrken af det anvendte elektriske felt (E), elektroforese mobilitet af kolloid (μ), og koncentrationen af kerner (Cn) som vist i ligninger 1 og 2.
(Ligning 1)
(Ligning 2)
Her
v = hastighed drift
Ζ = zeta potentiale af kerner,
Εo = Permittivitet vakuum,
Εr = dielektricitetskonstant, og
Η = viskositet af forløber sol.
Derfor, ved at kontrollere E og løsning-pH (som bestemmer ζ), pakning tætheden af kerner kan kontrolleres. Den efterfølgende vækst af de tæt pakket kerner i forløber sol giver forskere til at opnå et højt intergrown polykrystallinske film.
Protocol
Representative Results
Discussion
Standout træk ved ENACT metoden med hensyn til de eksisterende metoder15 er, at metoden ENACT muliggør syntese af højt intergrown, ultratynde MOF film på en bred vifte af porøse og nonporous substrater. Enhver substrat forbehandling undgås, hvilket gør denne metode helt ligetil for syntesen af MOF film. Selv om EPD udstyr skal bruges til aflejring af en film fra kerner, er udstyr sammensat af en strømkilde, en metal elektrode og et bægerglas, som er ganske enkelt og let tilgængeligt. Vi …
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi anerkender vores hjemlige læreanstalt, École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), for sin generøse støtte. Dette projekt har modtaget støtte fra EUs Horisont 2020 forskning og innovation program under Marie Skłodowska-Curie tilskudsaftale No. 665667. Forfatterne takke Pascal Alexander Schouwink for hans hjælp med XRD.
Materials
| 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 |
Riferimenti
- Knebel, A., et al. Defibrillation of soft porous metal-organic frameworks with electric fields. Science. 358, 347-351 (2017).
- Brown, A. J., et al. Interfacial microfluidic processing of metal-organic framework hollow fiber membranes. Science. 345, 72-75 (2014).
- Dzubak, A. L., et al. Ab initio carbon capture in open-site metal-organic frameworks. Nature Chemistry. 4, 810-816 (2012).
- Gascon, J., Kapteijn, F. Metal-organic framework membranes-high potential, bright future. Angewandte Chemie International Edition. 49, 1530-1532 (2010).
- 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).
- Zhang, F., et al. Hydrogen selective NH2-MIL-53(Al) MOF membranes with high permeability. Advanced Functional Materials. 22, 3583-3590 (2012).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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. , (2018).
- Li, X., et al. Large-area synthesis of high-quality and uniform graphene films on copper foils. Science. 324, 1312-1314 (2009).
- 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).
- Huang, S., et al. Large-area single-layer graphene membranes by crack-free transfer for gas mixture separation. Nature Communications. , (2018).
- Agrawal, K. V., Dakachoune, M., Huang, S., He, G., Dudani, N. . Ultrahigh flux gas-selective nanoporous carbon membrane and manufacturing method thereof. , (2017).
- Liu, J., Wöll, C. Surface-supported metal-organic framework thin films: fabrication methods, applications, and challenges. Chemical Society Reviews. 46, 5730-5770 (2017).
