Ultrathin 높은 성능 금속-유기 프레임 워크 막의 전기 이동 화

Summary

간단 하 고, 재현성, 다양 한 다공성의 수정 되지 않은 넓은 범위에 intergrown, 다 결정 금속-유기 프레임 워크 세포 막의 합성에 대 한 접근 및 비 다공성 제공 됩니다.

Abstract

우리는 다양 한 수정 되지 않은 다공성 및 비 다공성 지원 (고분자, 세라믹, 금속, 탄소, 그리고 그래 핀)에 얇은, 고도로 intergrown 다 결정 금속-유기 프레임 워크 (MOF) 세포 막의 합성을 보고합니다. 우리 ENACT 접근 불린다 소설 결정 화 기술 개발: 전기 이동 핵 어셈블리 (ENACT) 높은 intergrown 박막의 결정 화에 대 한. 이 접근을 선택한 기판 통해 선구자 솔에서 직접 전기 이동 증 착 (EPD)에 MOFs의 이기종 nucleation의 높은 밀도 대 한 수 있습니다. 잘 포장 된 MOF 핵의 성장을 매우 intergrown 다 MOF 영화 이끌어 낸다. 우리는 간단한 이렇게 얇은, intergrown 비 석 이미 프레임 워크 (ZIF)-7와 ZIF-8 영화의 합성에 사용 될 수 있다는 것을 보여줍니다. 결과 500 nm 두께 ZIF 8 막 보여 상당히 높은 H₂ permeance (10^-6 mol m^{-2의 -1} 펜 실바 니 아^-1x 8.3)와 이상적인 가스 selectivities (7.3 H₂/CO₂, H₂/N₂, 15.5 H₂/CH₄, 및 H₂/C₃H₈2655 16.2). C₃H₆/C₃H₈ 분리에 대 한 매력적인 성능 이기도 (a C₃H₆ permeance 9.9 x 10^-8 몰 m^-2 s^-1 펜 실바 니 아^-1 와 C₃H의 달성 ₆/C₃H₈ 이상적인 선택도 31.6 25 ° C에서의)입니다. 전반적으로, ENACT 과정 그것의 단순 때문 성공 결정 물자의 광범위의 intergrown 박막을 합성 하도록 확장할 수 있습니다.

Introduction

얇은 분자 체질 하 세포 막 분자의 분리에서 고 에너지 효율성을 제공 하 고 연료, 콜로라도₂ 캡처, 물 정화, 솔벤트 복구, 등^1,2의 전반적인 비용을 줄일 수 있습니다. MOFs 관련된 isoreticular 합성 화학 및 결정 화 비교적 간단한³분자 체질 하 세포 막의 합성에 대 한 자료의 유망한 클래스는. 날짜, MOF 막 이루어진 ZIF-4,-7,-8의-9,-11,-67,-90,-93, UiO-66, 동아-1, 그리고 밀-53 이었다고 보고^4,5을 포함 한 다양 한 결정 구조. 이러한 막 여 다공성 지원에 높은-품질 다 MOF 영화 crystallizing 합성 됩니다. 일반적으로, 높은 분리 선택도를, 그것이 다 MOF 영화 (pinholes 곡물 경계 결함 등)에 결함을 줄이기 위해 필요 합니다. 결함을 줄이기 위해 편리한 접근 두꺼운 필름을 구체화 하는 것입니다. 아니나 다를까, 몇몇 이전 보고의 MOF에 막 끝났다 매우 두꺼운 (5 µ m). 불행 하 게도, 두꺼운 필름 막 permeance 제한 긴 확산 경로를 리드. 따라서, 선택도 향상 하는 동안 permeance 희생 이다. 이 트레이드 오프를 우회, ultrathin 구체화 하는 방법을 개발 하는 것이 필수적입니다 (< 0.5 µ m 두께), 결함이 없는 MOF 영화.

ZIF-8은 가장 집중적으로 뛰어난 화학 및 열 안정성과 간단한 결정 화 화학^6,7막 합성에 대 한 MOF를 공부 했다. 지금까지 보고 된 ultrathin ZIF-8 세포 막 표면 화학 또는 ZIF-8의 이기종 nucleation를 선호 하는 intergrown 다 영화에 대 한 필수적인 기본 다공성 기판의 토폴로지를 변경 하 여 실현 되고있다. 예를 들어, 첸은 외. (3-aminopropyl) triethoxysilane-수정 된 티 오₂에 1 µ m 두께 ZIF-8 영화의 합성을 보고-코팅된 poly(vinylidene fluoride) (PVDF) 중공 섬유⁸. 그들은 높은 이기종 nucleation 밀도 관찰 하 고 표면 화학과 nanostructure의 동시 수정에 그것을 돌렸다. Peinemann 그룹은 금속 킬레이트 화, polythiosemicarbazide (PTSC) 지원⁹ultrathin ZIF 8 막을 보도 했다. 이 독특한 금속 킬레이트 화 능력 PTSC ZIF-8는, 연속적으로, 높은-성능 ZIF-8 세포 막의 이기종 nucleation 홍보 아연 이온 바인딩 이끌어 냈다. 일반적으로, 높은-성능 MOF 막;의 합성을 용이 하 게 기판 화학과 nanostructure 튜닝 그러나, 이러한 방법은 매우 복잡 하 고, 그리고 일반적으로 다른 매력적인 MOF 구조에서 MOF 막 합성을 다시 적용할 수 없습니다.

여기, 우리는 매우 여러 가지 결정 자료¹⁰의 intergrown 박막 형성을 다시 수 있는 간단 하 고 다재 다능 한 결정 화 접근을 사용 하 여 ZIF-8 영화 intergrown의 ultrathin, 합성을 보고 합니다. 우리는 ZIF-8와 ZIF-7 영화 준비 과정을 크게 단순화 어떤 기판 전처리 없이도 준비의 예를 보여줍니다. ZIF-8 영화는 다양 한 기판 (세라믹, 폴리머, 금속, 탄소, 그리고 그래 핀)에 준비가 되어 있습니다. 양극 알루미늄 산화물 (AAO) 지원에 500 nm 두께 ZIF-8 영화는 매력적인 분리 성능을 표시합니다. 8.3 x 10^-6 mol m^-2 s^-1 펜 실바 니 아^-1 와 7.3 (H₂/CO₂), 15.5 (H₂/N₂), 16.2 (H₂/CH₄), 및 2655 (H의 매력적인 이상적인 selectivities의 높은 H₂ permeance ₂/C₃H₈) 달성 된다.

위에서 언급 한 묘기를 가능 하 게 결정 화 접근 ENACT 이다. ENACT은 크리스털의 선구자 솔에서 직접 기판에 ZIF-8 핵 예금. 접근 유도 시간 (때 핵 선구자 솔에 표시 하는 시간) 직후 아주 짧은 시간 (1-4 분) 동안 EPD을 이용 한다. 충전된 MOF 핵에 전기 분야의 응용 적용된 전기장 (E), (μ), 콜 로이드의 전기 이동 성과의 농도의 강도에 비례 하는 플럭스와 전극 쪽으로 그들을 드라이브합니다 방정식 1와 2에서와 같이 핵 (C_n).

(식 1)

(식 2)

여기,
v = 드리프트 속도
Ζ = 핵의 제타 전위
Ε_o = 진공의 유전율
Ε_r = 유 전체 상수와
Η = 선구자 솔의 점성.

따라서, 전자 및 솔루션 pH (는 ζ 결정)을 제어 하 여 핵의 패킹 조밀도 제어할 수 있습니다. 선구자 솔에 조밀 하 게 포장 하는 핵의 연속적인 성장 연구원을 매우 intergrown 다 결정 필름을 얻을 수 있습니다.

Protocol

주의: 읽기 신중 하 게 관련 된 화학 물질의 물질 안전 데이터 시트 (MSDS). 일부는 실험에 사용 된 화학 물질의 독성이 있다. 현재 방법은 나노 입자의 합성을 포함 한다. 따라서, 적절 한 예방 조치. 환기가 증기 두건에서 전체 합성 절차를 수행 해야 합니다. 참고: 악기, 화학 물질, MOF 영화의 합성에 관련 된 자료의 세부 정보는 표 1에 나열 됩니다. <p class="jove_titl…

Representative Results

수 제 EPD 설정 MOF 영화 (그림 1) 합성에 사용 되었다. 스캐닝 전자 현미경 (SEM) 이미지 및 x 선 회절 (XRD) 패턴 ZIF-8 핵 영화 (그림 2)에 대 한 수집 했다. SEM 이미지 AAO 지원, ZIF-8/AAO 멤브레인, 팬 지원, ZIF-8/팬 막, ZIF-8/그래 핀 필름, ZIF-7/AAO 멤브레인 (그림 3)의 표면 및 횡단면 형태학에 사용 되었다. ZIF-8 세포 막…

Discussion

기존 방법¹⁵ 에 관하여 ENACT 메서드의 뛰어난 기능 ENACT 메서드를 사용 하면 다양 한 다공성 및 nonporous 기판에 높은 intergrown, ultrathin MOF 영화 합성 수 이다. 이 메서드를 MOF 영화의 합성에 대 한 매우 간단 합니다 만드는 모든 기판 전처리는 피 한다. EPD 장비 핵 영화의 증 착에 사용 되는, 장비 전원, 금속 전극과 비 커, 매우 간단 하 고 액세스할 수 있는 구성 됩니다. 우리는 다양 한 …

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