Elektrofores kristallisation av ultratunna högpresterande belägga med metall-organiska ramverk membran
Summary
En enkel, reproducerbar och mångsidig strategi för syntesen av igenvuxna, polykristallina belägga med metall-organiska ram membran på ett brett utbud av oförändrad porösa och icke porösa stöder presenteras.
Abstract
Ett brett utbud av oförändrad porösa och icke porösa stöder (polymer, keramik, metall, kolfiber och grafen) rapporterar vi syntesen av tunn, mycket igenvuxna, polykristallina belägga med metall-organiska framework (MOF) membran. Vi utvecklade en roman kristallisering teknik, som kallas metoden ENACT: elektroforetiska atomkärnor församlingen för kristallisation av mycket igenvuxna tunna filmer (ENACT). Detta tillvägagångssätt möjliggör en hög täthet av heterogen kärnbildning av MOFs på en valda substrat via elektroforetiska nedfall (EPD) direkt från föregångaren sol. Tillväxten av väl packade MOF atomkärnor leder till en mycket igenvuxna polykristallina MOF film. Vi visar att denna enkla metod kan användas för syntesen av tunna, igenvuxna zeolit Imidazol ram (ZIF) -7 och ZIF-8 filmer. De resulterande 500 nm tjock ZIF-8 membran visar en betydligt hög H2 permeance (8,3 x 10-6 mol m-2 s-1 Pa-1) och ideal gas selektivitet (7,3 för H2tillpass2, 15,5 för H2/n2, 16.2 för H2/CH4och 2655 för H2c3H8). En attraktiv prestanda för C3H6c3H8 separation är också uppnåtts (en C3H6 permeance av 9,9 x 10-8 mol m-2 s-1 Pa-1 och en C3H 6c3H8 idealisk selektivitet 31,6 vid 25 ° C). Sammantaget kan ENACT processen, på grund av sin enkelhet, utvidgas till att syntetisera igenvuxna tunna filmer av ett brett utbud av nanoporösa kristallina material.
Introduction
Tunn molekylär siktning membran erbjuder en high-energy effektivitet vid separation av molekyler och kan minska totalkostnaden för bränslen, CO2 capture, vattenrening, återvinning av lösningsmedel, etc.1,2. MOFs är en lovande klass av material för syntesen av molekylär siktning membran på grund av inblandade isoreticular syntetisk kemi och relativt okomplicerad kristallisering3. Hittills, MOF membran bestående av olika kristallina strukturer, inklusive att ZIF-4, -7, -8, -9 -11, -67, -90, och -93, och UiO-66, HKUST-1 och MIL-53 har varit rapporterade4,5. Dessa membran syntetiseras av utkristalliseras högkvalitativa polykristallina MOF filmer på porösa underlag. Generellt, för att erhålla en hög separation selektivitet, är det nödvändigt att minska defekterna i filmen polykristallina MOF (såsom hål och korn-gränsen defekter). En bekväm metod att minska defekterna är att kristallisera en tjock film. Inte överraskande, flera av de tidigare redovisade på MOF membranen är extremt tjock (över 5 µm). Tyvärr leder tjocka filmer till en lång diffusion sökväg, som begränsar den membran permeance. Därför, Medan selektivitet är förbättrad, permeance offras. För att kringgå denna kompromiss, det är absolut nödvändigt att utveckla metoder att kristallisera ultratunna (< 0.5 µm tjock), felfri MOF filmer.
ZIF-8 är mest studerade intensivt MOF för membran syntes, på grund av dess enastående kemisk och termisk stabilitet och en enkel kristallisering kemi6,7. Hittills realiserats rapporterade ultrathin ZIF-8 membranen genom att ändra ytkemi eller topologi av underliggande porösa substrat, gynnar heterogen kärnbildning av ZIF-8, vilket är viktigt för en igenvuxna polykristallina film. Till exempel Chen et al. rapporterade 1 µm tjock ZIF-8 film på (3-aminopropyl) triethoxysilane modifierade TiO2-belagda poly(vinylidene fluoride) (PVDF) ihåliga fibrer8. De observerade en hög heterogen nukleation densitet och hänföras till den samtidiga ändringen av ytkemi och nanostruktur. Gruppen Peinemann rapporterade ett ultratunna membran i ZIF-8 på en metall-kelat, polythiosemicarbazide (PTSC) stöd9. Denna unika metall-kelat förmåga av PTSC ledde till bindningen av zink joner, främja heterogen kärnbildning av ZIF-8, som därefter ledde till högpresterande ZIF-8 membran. I allmänhet underlättar tuning substrat kemi och nanostruktur syntesen av högpresterande MOF hinnor. men dessa metoder är ganska komplexa och vanligtvis inte kan appliceras för att syntetisera MOF membran från andra attraktiva MOF-strukturer.
Häri, rapporterar vi syntesen av ultratunna, mycket igenvuxna ZIF-8 filmer med en enkel och mångsidig kristallisering metod som kan appliceras för att bilda en tunn igenvuxna film av flera kristallina material10. Vi visar exempel på ZIF-8 och ZIF-7 filmer beredd utan någon substrat förbehandling, vilket förenklar förberedelseprocessen. ZIF-8 filmer tillagas på en mängd olika substrat (keramik, polymer, metall, kolfiber och grafen). 500 nm tjock ZIF-8 filmen på ett anodisk aluminiumoxid (AAO) stöd visar en attraktiv separation prestanda. En hög H2 permeance på 8,3 x 10-6 mol m-2 s-1 Pa-1 och attraktiva idealisk selektivitet av 7,3 (H2tillpass2), 15,5 (H2/n2), 16,2 (H2/CH4) och 2655 (H 2c3H8) uppnås.
Metoden kristallisation som gör att den ovannämnda feat är ENACT. ENACT deponerar ZIF-8 kärnor på ett substrat direkt från crystal’s föregångare sol. Metoden använder EPD för en mycket kort tidsperiod (1-4 min) direkt efter induktionstiden (tiden när atomkärnor visas i föregångaren sol). Tillämpningen av ett elektriskt fält till laddade MOF kärnor driver dem mot en elektrod med ett smältmedel som är proportionell mot styrkan i det tillämpad elektriskt fältet (E), elektrofores rörlighet kolloid (μ), och koncentrationen av atomkärnor (Cn) som visas i ekvationer 1 och 2.
(Ekvation 1)
(Ekvation 2)
Här
v = den avdrift hastigheten,
Ζ = zeta potential av atomkärnor,
Εo = Dielektricitetskonstant vakuum,
Εr = dielektrisk konstant, och
Η = viskositeten av föregångare sol.
Därför, genom att kontrollera E och lösning pH (som bestämmer ζ), packning tätheten av atomkärnor kan styras. Efterföljande tillväxten av tätt packade kärnor i föregångaren sol tillåter forskare att få en mycket igenvuxna polykristallina film.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den standout inslaget i metoden ENACT med avseende på de befintliga metoder15 är att metoden ENACT möjliggör syntesen av mycket igenvuxna, ultratunna MOF-filmer på en mängd olika porösa och nonporous substrat. Något substrat förbehandling undviks, vilket gör denna metod ganska enkelt för syntesen av MOF filmer. Även om EPD utrustning måste användas för nedfall av en film från atomkärnor, består utrustningen av en strömkälla, en metall elektrod och en bägare som är ganska enke…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi erkänner vår hem institution, École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) för dess generösa stöd. Detta projekt har beviljats medel från EU: s Horizon 2020 forskning och innovationsprogram under Marie Skłodowska-Curie bidragsöverenskommelsen nr 665667. Författarna vill tacka Pascal Alexander Schouwink för hans hjälp 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).
