Elektrophoretische Kristallisation von ultradünnen Hochleistungs-Metall-organischen Rahmen Membranen

Dünne Molekulare siebenden Membranen bieten einen hohe Energieeffizienz bei der Trennung von Molekülen und reduzieren die Gesamtkosten der CO₂ -Abscheidung, Wasseraufbereitung, Lösungsmittelrückgewinnung, Brennstoffe, etc.^1,2. MOFs sind eine vielversprechende Klasse des Materials für die Synthese von molekularen siebenden Membranen aufgrund der beteiligten Isoreticular Synthesechemie und relativ unkompliziert Kristallisation³. Bis dato MOF Membranen bestehend aus vielfältigen Kristallstrukturen, unter anderem, dass der ZIF-4, -7, -8,-9,-11,-67,-90, und-93, und UiO-66, HKUST-1 und MIL-53 gemeldeten^4,5gewesen. Diese Membranen sind durch kristallisieren qualitativ hochwertige polykristalline MOF Filme auf einem porösen Träger synthetisiert. In der Regel, um eine hohe Trennung Selektivität zu erhalten, ist es notwendig, die Mängel in der polykristallinen MOF-Film (z. B. Nadelstiche und Korngrenze Defekte) zu reduzieren. Eine bequeme Herangehensweise, die Mängel zu reduzieren ist eine Dickschicht kristallisieren. Es überrascht nicht, mehrere von den zuvor gemeldeten auf MOF Membranen sind extrem Dicke (über 5 µm). Leider führen dicke Schichten zu einem langen Verbreitung Weg, der Grenzen der Membran-Permeance. Während die Selektivität verbessert wird, ist daher Permeance geopfert. Um diesen Nachteil zu umgehen, ist es unerlässlich, die Methoden zu ultradünnen kristallisieren zu entwickeln (< 0,5 µm Dicke), fehlerfreie MOF-Filme.

ZIF-8 ist das beste MOF für Membran-Synthese, aufgrund seiner außergewöhnlichen chemischen und thermischen Stabilität und eine einfache Kristallisation Chemie^6,7Intensiv untersucht. Bisher wurden die gemeldeten ultradünnen ZIF-8 Membranen realisiert, durch Ändern der Oberflächenchemie oder Topologie des zugrunde liegenden porösen Substrates, Begünstigung der heterogenen Keimbildung der ZIF-8, was für ein Film verwachsenen polykristallinen unerlässlich ist. Zum Beispiel, Chen Et Al. berichtet die Synthese von 1 µm dicken ZIF-8-Film auf (3-Aminopropyl) Triethoxysilane geändert TiO₂-beschichteten Poly(vinylidene fluoride) (PVDF) hohlen Fasern⁸. Sie beobachtet eine hohe heterogene Keimbildung Dichte und die gleichzeitige Änderung der Oberflächenchemie und Nanostruktur zugeschrieben. Peinemann-Gruppe berichtete eine ultradünne Membran ZIF-8 über eine Metall-chelatisierenden, Polythiosemicarbazide (PTSC) Unterstützung⁹. Diese einzigartige Metall-chelatisierenden Fähigkeit des PTSC führte zur Bindung von Zinkionen, die heterogene Keimbildung der ZIF-8, die anschließend zu Hochleistungs-ZIF-8 Membranen führte zu fördern. Optimieren der Substrat-Chemie und Nanostruktur erleichtert in der Regel die Synthese von Hochleistungs-MOF Membranen; Doch diese Methoden sind sehr komplex und in der Regel können nicht erneut angewendet werden um MOF Membranen aus anderen attraktiven MOF-Strukturen zu synthetisieren.

Hier berichten wir über die Synthese von ultradünnen, stark verwachsenen ZIF-8-Filme, die eine einfache und vielseitige Kristallisation Ansatz, die erneut angewendet werden können, um einen verwachsenen Dünnschicht von mehreren kristallinen Materialien¹⁰zu bilden. Wir zeigen Beispiele für ZIF-8 und ZIF-7 Filme ohne jedes Substrat-Vorbehandlung, die vereinfacht den Vorbereitungsprozess vorbereitet. Die ZIF-8-Filme sind auf einer Vielzahl von Substraten (Keramik, Kunststoff, Metall, Kohlenstoff und Graphen) bereit. Der 500 nm dicken ZIF-8-Film auf eine anodische Aluminiumoxid (AAO) Unterstützung zeigt eine attraktive Trennleistung. Eine hohe H₂ Permeance von 8,3 x 10^-6 Mol m^-2 s^-1 Pa^-1 und attraktive ideale Selektivitäten von 7.3 (H₂Co₂), 15,5 (H2/n₂) und (H₂/CH₄) 16.2 2655 (H 2/c₃H₈) erreicht werden.

Die Kristallisation Ansatz, der die oben genannten Feat ermöglicht ist ENACT. ENACT Einlagen ZIF-8 Kerne auf einem Substrat direkt aus dem Kristall Vorläufer Sol. Der Ansatz nutzt EPD für einen sehr kurzen Zeitraum hinweg (1-4 min) gleich nach der Induktionszeit (die Zeit, wenn die Kerne in der Vorstufe Sol erscheinen). Die Anwendung eines elektrischen Feldes auf die geladenen MOF-Kerne treibt sie in Richtung einer Elektrode mit einem Flussmittel, die proportional zur Stärke des angewandten elektrischen Feld (E), die elektrophoretische Mobilität des Kolloids (μ) und die Konzentration der Kerne (C_n) wie in den Gleichungen 1 und 2 dargestellt.

(Gleichung 1)

(Gleichung 2)

Hier,
V = die Drift-Geschwindigkeit
Ζ = Zeta-Potential der Atomkerne,
Ε_o = die Permittivität des Vakuums,
Ε_R = die Dielektrizitätskonstante und
Η = die Viskosität der Vorläufer-Sol.

Daher kann durch die Steuerung E und der pH-Wert der Lösung (die ζ bestimmt), die Packungsdichte der Kerne gesteuert werden. Das anschließende Wachstum der Zellkerne dicht gepackt in der Vorstufe Sol erlaubt Forschern, einen stark verwachsenen polykristallinen Film zu erhalten.