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, 등1,2의 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 보고4,5을 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 화학6,7막 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 (Cn).
(식 1)
(식 2)
여기,
v = 드리프트 속도
Ζ = 핵의 제타 전위
Εo = 진공의 유전율
Εr = 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
Representative Results
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 …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
우리는 우리의 집 기관 인정은 콜 Polytechnique 연방 공과대 학교 드 로잔 (EPFL), 그것의 관대 한 지원에 대 한. 이 프로젝트는 유럽 연합의 수평선 2020 연구에서 자금 받았다 고 혁신 프로그램 Marie Skłodowska-퀴리 아래 부여 계약 번호 665667. 저자는 XRD로 그의 도움에 대 한 파스칼 알렉산더 Schouwink 감사합니다.
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
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