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، إلخ^1،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 ذكرت^4،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 كيمياء^6،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 (ج_ن) كما هو مبين في المعادلات 1 و 2.

(المعادلة 1)

(المعادلة 2)

هنا،
v = سرعة الانجراف،
Ζ = إمكانات زيتا الأنوية،
اليورو_س = سماحية الفراغ،
اليورو_r = 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

تنبيه: اقرأ بعناية صحائف بيانات سلامة المواد (MSDS) للمواد الكيميائية المعنية. بعض المواد الكيميائية المستخدمة في هذه التجربة مواد سامة. الأسلوب الحالي ينطوي على تجميع جسيمات نانوية. ولذلك، اتخاذ الاحتياطات المناسبة. يجب أن يتم إجراء توليف كامل بغطاء دخان جيد التهوية.

ملاحظة: يتم سرد التفاصيل المتعلقة الآلات والمواد الكيميائية والمواد التي تشارك في تركيب الأفلام MOF في الجدول 1.

1-إعداد الحل الملح المعدني والحل رابط لسول السليفة

ملاحظة: لتركيب الفيلم زيف-8، يستخدم سداسي هيدرات نترات الزنك [الزنك (لا₃)₂.6H₂س] كالملح المعدنية ويستخدم 2-ميثيليميدازولي (حميم) كالرابط.

1. لحل الملح المعدني، حل ز 2.75 من الزنك (لا₃)₂.6H₂س في 500 مل الماء.
2. لحل رابط، حل ز 56.75 من حميم في 500 مل الماء ويقلب عليه بشكل مستمر حتى يتم الحصول على حل واضح.

2-إعداد أقطاب النحاس

1. قطع من رقائق نحاس عالية نقاء (بنقاوة 99.9%، 127 ميكرومتر سميكة) إلى قطع 4 × 4 سم.
2. لسهولة لقط إحباط قطع لمجموعة من القصاصات تمساح Cu، رسم خط على مسافة 0.5 سم من أحد حواف رقائق مربعة.
3. تسطيح إحباط استخدام بكرة أسطوانية على سطح نظيف.
4. تنظيف رقائق النحاس بدقة بحمام سونيكيشن في الأسيتون لمدة 15 دقيقة، تليها sonication حمام في الكحول لمدة 15 دقيقة.
5. رقائق النحاس في أجواء نظيفة جافة.

3-مرفق ركائز مسرى (الكاثود)

ملاحظة: اختيار الركازة ملائمة إيداع الفيلم MOF. يمكن تطبيق الأسلوب AAO (أنوديسك، 13 المسام استضافة قطر ملم يبلغ قطرها 0.1 ميكرومتر المسامية)، ﺍﻟﺍﻛﺭﻳﻟﻭﻧﻳﺗﺭﺍﻟ (القومية، ووقف الوزن الجزيئي: كاتشين 100)، إحباط Cu (نقاء 99.9%، 25 ميكرومتر سميكة)، وهو فيلم الجرافين الكيميائية-بخار-الترسيب-تعتمد يستريح على إحباط cu¹¹، ويستريح على إحباط Cu^12،،من¹³¹⁴فيلم الكربون نانوبوروس محلية صنع.

1. بعناية وضع الركيزة المرغوبة في مركز القطب Cu استخدام شريط.
2. شطف الجمعية الركازة/القطب بالماء، يليه الكحول، ومرة أخرى مع المياه لحوالي 1 دقيقة.
3. إرفاق قطب كهربائي Cu عارية (4 x 4 سم) اﻷنود. ثم إرفاق الجمعية الركازة/قطب الكاثود.
4. ضبط الفصل بين قطبين إلى 1 سم داخل كوب زجاج 100 مل.

4-سن الداخلي للفيلم زيف-8

1. مزيج ز 31.6 الحل السلائف المعدنية و 35 ز الحل يجند في كوب 100 مل ويقلب عليه لمدة 30 ثانية في درجة حرارة الغرفة لتشكيل سول السليفة.
   ملاحظة: وقت التعريفي زيف-8 في هذه الظروف هو أقل من 60 ثانية، ولذلك العوالق قد يجري تنفيذها دون تأخير.
2. نقل سول السليفة إلى السفينة استضافة أقطاب كهربائية.
3. تزج كل الأقطاب حتى علامة 3.5 سم على أقطاب كهربائية.
   ملاحظة: من تجاربنا، وقد لاحظنا أن تطبيق الحقل الكهربائي قبل 3 دقيقة للشيخوخة سول يؤدي إلى تغلغل الأنوية زيف-8 أصغر في مسام ركائز المسامية (AAO في هذه الحالة بالذات)، التي تحتاج إلى تجنبها. لذلك، الحقل الكهربائي متوقفاً إلا بعد 3 دقائق، عند النواة تنمو أكبر إلى حد ما.
4. القيام باﻻشتراك مع جهد ترسب 1 V لمدة 4 دقائق. الحالية ينبغي أن يكون في نطاق ما 2.5 3.5.
5. في نهاية العوالق، أقل في الكأس ببطء. كما ضعيفة الالتصاق بين الأنوية المودعة حديثا والركيزة فيجب اتخاذ أقصى درجات الحرص أثناء التعامل مع الركازة.
6. نقل الركازة المجففة على شريحة زجاجية مجهرية. استخدام الشريط لعقد الركيزة في المكان.
7. لنمو البلورات، مزيج ز 31.6 الحل الملح المعدنية و 35 ز الحل رابط في كوب 100 مل.
8. ضع شريحة زجاجية مجهرية جنبا إلى جنب مع الركيزة عمودياً في الحل السلائف وتركها دون عائق ح 10 في 30 درجة مئوية.
9. بعد ما يصل إلى 10 س لنمو البلورات، شطف الركيزة بالماء لمدة 30 دقيقة والجافة في جو نظيف.

5-سن الداخلي للفيلم زيف-7

1. توليف الفيلم زيف-7 على وجود دعم AAO بطريقة مشابهة لتلك المستخدمة للفيلم زيف-8 ولكن مع الاختلافات التالية.
2. بعد خلط ز 0.82 للزنك (لا₃)₂·6H₂س في 30 مل من dimethylformamide (DMF) و 0.72 ز من بنزيميدازول في 30 مل ميثانول لمدة 3 دقائق، الاضطلاع بالعوالق لمدة 1 دقيقة.
3. توليف فيلم زيف-7 إينتيرجروون بغمر الفيلم نويات زيف-7 في سول السليفة تتضمن ز 0.58 من الزنك (لا₃)₂·6H₂س و 0.3 غرام من بنزيميدازول 30 مل من DMF عند 110 درجة مئوية ح 4.
4. بعد تهدئة الحل، يغسل الغشاء زيف-7/AAO التي نقع عليه في DMF، متبوعاً بتجفيف أنه عند 60 درجة مئوية ح 12.

6-غشاء إعداد وتوصيف

1. إعداد الغشاء
   1. لإعداد للتسرب، مزيج دقيق نسبة متساوية من الراتنج ومقوي وترك المخلوط ح 1.
   2. ضع الأغشية زيف-8/الدعم على قرص الصلب 24 ملم على نطاق المنظومة مع حفرة قطرها 5 ملم في المركز.
   3. تطبيق الإيبوكسي على طول حواف الركيزة في البداية، وبعد ذلك، تغطي الركيزة باستثناء حفرة قطرها 5 ملم في المركز.
   4. تسمح الإيبوكسي الجافة بين عشية وضحاها.
   5. استخدام مجهر ستيريو لفحص الغشاء جنبا إلى جنب مع مقياس مرجعي معروف.
   6. استخدام البرامج الرسومية لحساب المنطقة المعرضة للغشاء من الصورة الممسوحة ضوئياً.
2. اختبار تخلل غاز
   ملاحظة: في تجاربنا، الاختبارات تخلل غاز مكون واحد نفذت بتقنية Wicke-كالينباتش في زنزانة تخلل محلية صنع. تم معايرة وحدات التحكم بالتدفق الجماعي (الكنيست) ومطياف كتلة المستخدمة في التشكيل تخلل داخل مجموعة من خطأ 5%. وحدات التحكم بالتدفق الجماعي (MFC) ينظم في التغذية ومعدل تدفق غاز الاجتياح. Ar كالغاز الاجتياح التي قامت بيرميتي الغاز مطياف كتلة معايرة (مللي ثانية) لتحليل في الوقت الحقيقي لتركيز بيرميتي.
   1. ضع القرص الصلب مع الغشاء في الخلية تخلل الفولاذ المقاوم للصدأ.
   2. ضمان تناسب ضيق تسرب عن طريق وضع يا Viton الحلقات المذكورة أعلاه وأدناه القرص الصلب وثبتت المسامير. لإزالة الماء الممتزة أثناء التوليف، جاف في الأغشية في 130 درجة مئوية تحت جو/Ar₂ح حتى يتم التوصل إلى منافذه₂ ح مطرد.
   3. مكان إقامة داخل الفرن وتعيين درجة الحرارة إلى 130 درجة مئوية.
   4. ضمان التغذية واكتساح خطوط هي يسخن.
   5. تعيين معدلات تدفق الغاز في التغذية واكتساح الجانبين إلى 30 مل/دقيقة.
   6. الحفاظ على ضغط 0.1 ميغاباسكال في التغذية والجانب اكتساح بضبط الصمامات إبرة في ريتينتاتي والجانب بيرميتي، على التوالي.
   7. حساب في منافذه حالما يتم إنشاء حالة مستقرة.
   8. ببطء يبرد الفرن (في حوالي 2 ساعة) إلى 30 درجة مئوية وتسجيل القيم مرة أخرى بمجرد تأسيس حالة مستقرة.

النتائج

تم استخدام هيكل قائم محلية صنع لتوليف الأفلام MOF (الشكل 1). مسح صور المجهر الإلكتروني (SEM) وحيود الأشعة السينية (XRD) وقد جمعت أنماط للفيلم زيف-8 نوى (الشكل 2). واستخدمت وزارة شؤون المرأة لصورة مورفولوجيس السطحية ومستعرضة الدعم AAO والغشاء زيف-8/AAO،...

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?...

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
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