تبلور الغرواني الكهربي الأغشية سامسونج إطار المعادن العضوية عالية الأداء
Summary
ويرد نهج بسيط واستنساخه وتنوعاً لتركيب الأغشية المعدنية العضوية إطار الكريستالات إينتيرجروون، في طائفة واسعة من غير معدلة مسامية وغير المسامية ويدعم.
Abstract
نحن تقرير تركيب الأغشية المعدنية العضوية الإطار (MOF) الكريستالات رقيقة، إينتيرجروون العالية، في طائفة واسعة من غير معدلة تدعم المسامية وغير المسامية (البوليمر والسيراميك والمعادن، والكربون والجرافين). قمنا بتطوير تقنية بلورة رواية، الذي هو ما يسمى بالنهج سن: الجمعية نويات الغرواني الكهربي لبلورة الأغشية الرقيقة جداً إينتيرجروون (سن). ويسمح هذا النهج لكثافة عالية من نويات غير متجانسة من Mof في الركازة مختارة عن طريق ترسب الغرواني الكهربي (العوالق) مباشرة من سول السليفة. نمو نويات MOF معبأة جيدا يؤدي إلى فيلم MOF الكريستالات إينتيرجروون عالية. ونحن تبين أن هذا النهج بسيطة يمكن أن تستخدم لتركيب إطار ايميدازول زيوليت رقيقة، إينتيرجروون (زيف)-7 وزيف-8 أفلام. إظهار الناتج 500 نانومتر سميكة الأغشية زيف-8 إلى حد كبير ارتفاع ح2 منافذه (8.3 × 10-6 مول م-2 s-1 السلطة الفلسطينية-1) وغاز مثالية سيليكتيفيتيس (7.3 ح2/CO2، 15.5 ح2/N2، 16.2 ح2/CH4، و 2655 لح2/ج3ح8). على أداء جذاب ج3ح6/ج3ح8 الفصل أيضا تحقيق (ج3ح6 منافذه من 9.9 × 10-8 جزئ m-2 s-1 السلطة الفلسطينية-1 و ج3ح 6/ج3ح8 مثالية الانتقائية من 31.6 عند 25 درجة مئوية). وعموما، يمكن تمديد عملية سن، نظراً لبساطته، توليف إينتيرجروون الأغشية الرقيقة لمجموعة واسعة من المواد البلورية نانوبوروس.
Introduction
تقدم من كفاءة الطاقة عالية في فصل جزيئات رقيقة الأغشية الجزيئية النخل ويمكن أن تقلل من التكلفة الإجمالية للوقود، التقاط2 CO، وتنقية المياه، واستعادة المذيبات، إلخ1،2. Mof فئة واعدة من المواد لتركيب الأغشية الجزيئية النخل بسبب الكيمياء التركيبية إيسوريتيكولار المشتركة وبلورة واضحة نسبيا3. حتى الآن، MOF الأغشية وتضم هياكل بلورية متنوعة، بما في ذلك أن من زيف-4-7،-8، كانت-9-11،-67،-90، و-93، والارجان-66، HKUST-1 وشركة مالونغوشي-53 ذكرت4،5. يتم توليف هذه الأغشية ببلورة الأفلام MOF الكريستالات عالية الجودة على دعم مسامية. عموما، للحصول على انتقائية فصل عالية، من الضروري الحد من العيوب في الفيلم MOF الكريستالات (مثل الثقوب والعيوب الحبوب للحدود). اتباع نهج مناسب للحد من العيوب بلورة فيلما سميكة. ليس من المستغرب أن العديد من ذكرت في وقت سابق في وزارة المالية أغشية سميكة جداً (أكثر من 5 ميكرومتر). الأفلام سميكة للأسف، يؤدي إلى مسار نشر طويلة، مما يحد من منافذه الغشاء. ولذلك، بينما يتم تحسين الانتقائية، هو التضحية بمنافذه. للالتفاف على هذه المفاضلة، من الضروري وضع أساليب لبلورة سامسونج (< 0.5 ميكرومتر سميكة)، الأفلام MOF خالية من العيوب.
زيف-8 الأكثر كثافة درس MOF لتركيب الغشاء، بسبب استقرارها الكيميائي والحراري استثنائية وبلورة بسيطة كيمياء6،7. وحتى الآن، تحققت الأغشية زيف-8 التي أبلغ عنها سامسونج بتغيير الكيمياء السطحية أو طبولوجيا من الركازة المليئة بالثغرات الكامنة، تحابي التنو غير متجانسة من زيف-8، هو أمر ضروري لفيلم الكريستالات إينتيرجروون. على سبيل المثال، تشن وآخرون. عن توليف الفيلم زيف-8 ميكرومتر سميكة 1 (3-أمينوبروبيل) تريثوكسيسيلاني-تعديل TiO2-poly(vinylidene fluoride) المغلفة (PVDF) جوفاء ألياف8. لاحظ كثافة عالية التنو غير متجانسة، وعزاه إلى التعديل المتزامن للكيمياء السطحية ونانوستروكتوري. أفاد فريق بينيمان غشاء زيف-8 سامسونج على دعم بوليثيوسيميكاربازيدي (بتسك) خالب معدن،9. هذه الإمكانية خالب معدنية فريدة من نوعها من بتسك أدى إلى ربط أيونات الزنك، تعزيز التنو غير متجانسة من زيف-8 أدت بعد ذلك إلى أغشية زيف-8 عالية الأداء. وبصفة عامة، ضبط كيمياء الركيزة و nanostructure يسهل تركيب الأغشية MOF عالية الأداء؛ ومع ذلك، هذه الأساليب معقدة جداً، وعادة لا تكون إعادة تطبيق لتجميع MOF أغشية من هياكل وزارة المالية الجذابة الأخرى.
هنا، نحن تقرير التوليف من سامسونج، إينتيرجروون عالية أفلام زيف-8 استخدام نهج بلورة بسيطة وتنوعاً التي يمكن إعادة تطبيقه لتشكل طبقة رقيقة إينتيرجروون من عدة مواد بلورية10. نعرض أمثلة للأفلام 8 زيف وزيف-7 إعداد بدون أي معالجة مسبقة الركازة، الذي يبسط إلى حد كبير عملية إعداد. وتعد أفلام زيف-8 على مجموعة واسعة من ركائز (السيراميك والبوليمر، والمعادن، والكربون والجرافين). يعرض الفيلم زيف-8 500 نانومتر سميكة على وجود دعم انوديك أكسيد الألومنيوم (AAO) على أداء الفاصل جذابة. منافذه2 ح عالية من 8.3 × 10-6 مول م-2 s السلطة الفلسطينية-1 -1 وجذابة سيليكتيفيتيس مثالية 7.3 (ح2/CO2) و 15.5 (ح2/N2) 16.2 (ح2/CH4) 2655 (ح 2/ج3ح8) يتم تحقيقه.
تبلور والنهج التي تمكن الفذ المذكور أعلاه هو سن. سن رواسب نويات زيف-8 على الركازة مباشرة من سول السليفة للبلورة. يستخدم هذا النهج العوالق لفترة قصيرة جداً من الزمن (1-4 دقيقة) الحق بعد الوقت التعريفي (الوقت عندما تظهر الأنوية في سول السليفة). تطبيق المجال الكهربائي على الأنوية MOF مشحونة يدفعهم نحو قطب كهربائي مع التمويه الذي يتناسب مع قوة التطبيقية المجال الكهربائي (E)، تنقل الغرواني الكهربي الغروانية (μ)، وتركيز نوى (جن) كما هو مبين في المعادلات 1 و 2.
(المعادلة 1)
(المعادلة 2)
هنا،
v = سرعة الانجراف،
Ζ = إمكانات زيتا الأنوية،
اليوروس = سماحية الفراغ،
اليوروr = ثابت عازل، و
Η = لزوجة سول السليفة.
لذلك، عن طريق التحكم الإلكتروني ودرجة الحموضة الحل (الذي يحدد ζ)، يمكن التحكم بكثافة التعبئة الأنوية. نمو نويات المزدحمة في سول السليفة اللاحقة يسمح للباحثين للحصول على فيلم الكريستالات إينتيرجروون عالية.
Protocol
Representative Results
Discussion
ميزة موقع الصدارة من الأسلوب سن فيما يتعلق ب الأساليب القائمة15 أن الأسلوب سن يمكن توليف الأفلام MOF إينتيرجروون عالية، سامسونج على مجموعة واسعة من ركائز المسامية ونونبوروس. هو تجنب أي الركازة المعالجة المسبقة، مما يجعل هذا الأسلوب واضحة تماما لتوليف الأفلام MOF. وبالرغم من الع?…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
نعترف بمؤسستنا المنزل، مدرسة البوليتكنيك Fédérale دي لوزان، على دعمها السخي. هذا المشروع قد تلقي تمويلاً من أفق 2020 البحث الاتحاد الأوروبي في والابتكار برنامج تحت Skłodowska ماري كوري-منح الاتفاق رقم 665667. يشكر المؤلفون باسكال ألكسندر شووينك لمساعدته مع زرد.
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 |
Referências
- 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).
