Name: electrophoretic crystallization of ultrathin high-performance metal-organic framework membranes
Uploaded: 2018-08-16T15:00:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Electrophoretic Crystallization of Ultrathin High-performance Metal-organic Framework Membranes at JoVE.com

Wij erkennen onze eigen instelling, de École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), voor zijn genereuze steun. Dit project heeft financiering ontvangen van de Europese Unie Horizon 2020 onderzoek en de innovatie programma onder het Marie Skłodowska-Curie subsidieovereenkomst nr. 665667. De auteurs bedanken Pascal Alexander Schouwink voor zijn hulp met XRD.

Let op: Lees zorgvuldig de veiligheidsinformatiebladen (MSDS) van de betrokken chemische stoffen. Sommige van de chemicaliën die worden gebruikt in het experiment zijn giftig. Aanwezig bij deze methode wordt de synthese van nanodeeltjes. Daarom nemen passende voorzorgsmaatregelen. De gehele synthese-procedure moet worden uitgevoerd in een goed geventileerde zuurkast.
Opmerking: De details van de instrumenten, de chemische stoffen alsook de materialen die betrokken zijn bij de synthese van de ...

<ol>
	<li>Knebel, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Defibrillation+of+soft+porous+metal-organic+frameworks+with+electric+fields.">Defibrillation of soft porous metal-organic frameworks with electric fields.</a> Science. 358, 347-351 (2017).</li><li>Brown, A. J., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Interfacial+microfluidic+processing+of+metal-organic+framework+hollow+fiber+membranes.">Interfacial microfluidic processing of metal-organic framework hollow fiber membranes.</a> Science. 345, 72-75 (2014).</li><li>Dzubak, A. L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Ab+initio+carbon+capture+in+open-site+metal-organic+frameworks.">Ab initio carbon capture in open-site metal-organic frameworks.</a> Nature Chemistry. 4, 810-816 (2012).</li><li>Gascon, J., Kapteijn, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Metal-organic+framework+membranes-high+potential,+bright+future.">Metal-organic framework membranes-high potential, bright future.</a> Angewandte Chemie International Edition. 49, 1530-1532 (2010).</li><li>Liu, X., Wang, C., Wang, B., Li, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Novel+Organic-Dehydration+Membranes+Prepared+from+Zirconium+Metal-Organic+Frameworks.">Novel Organic-Dehydration Membranes Prepared from Zirconium Metal-Organic Frameworks.</a> Advanced Functional Materials. 27, 1-6 (2017).</li><li>Zhang, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hydrogen+selective+NH2-MIL-53(Al)+MOF+membranes+with+high+permeability.">Hydrogen selective NH2-MIL-53(Al) MOF membranes with high permeability.</a> Advanced Functional Materials. 22, 3583-3590 (2012).</li><li>Kwon, H. T., Jeong, H. -. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=In+situ+synthesis+of+thin+zeolitic-imidazolate+framework+ZIF-8+membranes+exhibiting+exceptionally+high+propylene/propane+separation.">In situ synthesis of thin zeolitic-imidazolate framework ZIF-8 membranes exhibiting exceptionally high propylene/propane separation.</a> Journal of the American Chemical Society. 135, 10763-10768 (2013).</li><li>Hou, J., Sutrisna, P. D., Zhang, Y., Chen, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Formation+of+ultrathin,+continuous+metal-organic+framework+membranes+on+flexible+polymer+substrates.">Formation of ultrathin, continuous metal-organic framework membranes on flexible polymer substrates.</a> Angewandte Chemie International Edition. 55, 3947-3951 (2016).</li><li>Barankova, E., Tan, X., Villalobos, L. F., Litwiller, E., Peinemann, K. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+metal+chelating+porous+polymeric+support:+the+missing+link+for+a+defect-free+metal-organic+framework+composite+membrane.">A metal chelating porous polymeric support: the missing link for a defect-free metal-organic framework composite membrane.</a> Angewandte Chemie International Edition. 56, 2965-2968 (2017).</li><li>He, G., Dakhchoune, M., Zhao, J., Huang, S., Agrawal, K. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Electrophoretic+Nuclei+Assembly+for+Crystallization+of+High-Performance+Membranes+on+Unmodified+Supports.">Electrophoretic Nuclei Assembly for Crystallization of High-Performance Membranes on Unmodified Supports.</a> Advanced Functional Materials. , (2018).</li><li>Li, X., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Large-area+synthesis+of+high-quality+and+uniform+graphene+films+on+copper+foils.">Large-area synthesis of high-quality and uniform graphene films on copper foils.</a> Science. 324, 1312-1314 (2009).</li><li>Rodriguez, A. T., Li, X., Wang, J., Steen, W. A., Fan, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Facile+synthesis+of+nanostructured+carbon+through+self-assembly+between+block+copolymers+and+carbohydrates.">Facile synthesis of nanostructured carbon through self-assembly between block copolymers and carbohydrates.</a> Advanced Functional Materials. 17, 2710-2716 (2007).</li><li>Huang, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Large-area+single-layer+graphene+membranes+by+crack-free+transfer+for+gas+mixture+separation.">Large-area single-layer graphene membranes by crack-free transfer for gas mixture separation.</a> Nature Communications. , (2018).</li><li>Agrawal, K. V., Dakachoune, M., Huang, S., He, G., Dudani, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Ultrahigh flux gas-selective nanoporous carbon membrane and manufacturing method thereof. , (2017).</li><li>Liu, J., W&#246;ll, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Surface-supported+metal-organic+framework+thin+films:+fabrication+methods,+applications,+and+challenges.">Surface-supported metal-organic framework thin films: fabrication methods, applications, and challenges.</a> Chemical Society Reviews. 46, 5730-5770 (2017).</li></ol>

Het opvallende kenmerk van de methode ENACT ten opzichte van de bestaande methoden15 is dat de methode ENACT de synthese van zeer intergrown, uiterst dunne MOF films op een breed scala aan poreuze en nonporous substraten toelaat. Voorbehandeling van de ondergrond wordt vermeden, waardoor deze methode eenvoudig voor de synthese van MOF films. Hoewel EPD apparatuur worden gebruikt voor de afzetting van een film kernen moet, bestaat de apparatuur uit een voedingsbron, een metalen elektrode en een bek...

Dunne moleculaire zeven membranen bieden een hoog-energetische efficiëntie bij de scheiding van moleculen en kunnen verminderen de totale kosten van brandstoffen, CO2 -vangst, waterzuivering, oplosmiddel herstel,21, enz. MOFs zijn een veelbelovende klasse van materiaal voor de synthese van moleculaire zeven membranen vanwege de betrokken isoreticular synthetische chemie en relatief simpel kristallisatie3. Tot op heden, MOF membranen bestaande uit diverse kristallijnen structuren, met inbegrip van dat van de ZIF-4, -7, -8, -9, -11 -67,-90, en-93, en UiO-66, HKUST-1 en MIL-53 gerapporteerde4,5 geweest. Deze membranen worden gesynthetiseerd door het kristalliseren van kwalitatief hoogstaande polykristallijne MOF films op een poreuze ondersteuning. In het algemeen, voor het verkrijgen van een hoge scheiding selectiviteit, het is noodzakelijk om de gebreken in de film MOF polykristallijne (zoals gaatjes en korrelgrens defecten). Een handige benadering ter beperking van de gebreken is te kristalliseren een dikke film. Niet verrassend, een aantal van de eerder gemelde op MOF membranen zijn extreem dik (meer dan 5 µm). Helaas, dikke films leiden tot een lange diffusie pad, waardoor de membraan-permeance wordt beperkt. Daarom, terwijl selectiviteit is verbeterd, permeance wordt opgeofferd. Om te omzeilen deze inruil, is het absoluut noodzakelijk om methoden te kristalliseren uiterst dunne (< 0,5 µm-dik), defect-gratis MOF films.
ZIF-8 is de meest intensief bestudeerde MOF voor membraan synthese, als gevolg van de uitzonderlijke chemische en thermische stabiliteit en een eenvoudige kristallisatie chemie6,7. Tot nu toe hebben de gerapporteerde uiterst dunne ZIF-8 membranen gerealiseerd door de oppervlakte chemie of topologie van het onderliggende poreus substraat, ten gunste van de heterogene nucleatie van ZIF-8, die essentieel is voor een intergrown polykristallijne film te wijzigen. Bijvoorbeeld, Chen et al.. de synthese van 1 µm dik ZIF-8 film gemeld op (3-aminopropyl) triethoxysilane gemodificeerde TiO2-gecoate poly(vinylidene fluoride) (PVDF) holle vezels8. Ze waargenomen van de dichtheid van een hoge heterogene nucleatie en schreef het aan de gelijktijdige wijziging van de Oppervlaktechemie en nanostructuur. Een uiterst dunne membraan van de ZIF-8 de Peinemann groep gerapporteerd op een metaal-chelaat, polythiosemicarbazide (PTSC) ondersteuning9. Deze unieke metaal-chelaat functionaliteit van PTSC leidde tot de binding van zink ionen, bevordering van de heterogene nucleatie van ZIF-8 heeft vervolgens geleid tot hoogwaardige ZIF-8 membranen. In het algemeen, vergemakkelijkt afstemmen van het substraat chemie en nanostructuur de synthese van hoogwaardige MOF membranen; deze methoden zijn echter vrij complex, en meestal kunnen niet worden toegepast om te synthetiseren MOF membranen van andere aantrekkelijke MOF-structuren.
Hierin, rapporteren we de synthese van uiterst dunne, zeer intergrown ZIF-8 films met een eenvoudig en veelzijdig kristallisatie benadering die opnieuw kan worden toegepast om te vormen van een dunne intergrown film van verscheidene kristallijne materialen10. We tonen voorbeelden van ZIF-8 en ZIF-7 films bereid zonder eventuele voorbehandeling substraat, die sterk het voorbereidingsproces vereenvoudigt. De ZIF-8 films zijn bereid op een breed scala van substraten (keramiek, polymeer, metaal, carbon en grafeen). De 500 nm-dikke ZIF-8 film op een anodic aluminium oxide (AAO)-ondersteuning geeft een aantrekkelijke scheiding prestaties. Een hoge H2 permeance van 8.3 x 10-6 mol m-2 s-1 Pa-1 en aantrekkelijke ideaal selectivities van 7.3 (H2/CO2), 15,5 (H2/n2), 16.2 (H2/CH4) en 2655 (H 2c3H8) worden bereikt.
De kristallisatie aanpak waarmee de bovengenoemde prestatie is ENACT. ENACT deposito's ZIF-8 kernen op een substraat rechtstreeks vanuit de crystal's voorloper sol. De aanpak maakt gebruik van EPD voor een zeer korte periode van tijd (1-4 min) direct na de inductie-tijd (de tijd wanneer de kernen worden weergegeven in de voorloper sol). De toepassing van een elektrisch veld op de geladen MOF kernen drijft hen naar een elektrode met een beweging die is evenredig aan de sterkte van het elektrische veld vereffend (E), de elektroforetische mobiliteit van de colloid (μ), en de concentratie van kernen (Cn) zoals in de vergelijkingen 1 en 2.
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/58301/58301eq1.jpg"> (Vergelijking 1)
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/58301/58301eq2.jpg"> (Vergelijking 2)
Hier, v = de drift-snelheid, Ζ = de zeta potentieel van de kernen, Εo = de permittiviteit van het vacuüm, Εr = de diëlektrische constante, en Η = de viscositeit van de voorloper van sol.
Dus, door het beheersen van de E en de pH van de oplossing (die bepaalt ζ), de dichtheid van de verpakking van kernen kan worden gecontroleerd. De verdere groei van de dichtbevolkte boordevol kernen in de voorloper sol kan onderzoekers te verkrijgen van een zeer intergrown polykristallijne film.

<table>
	<tbody>
		<tr>
			<td>Zinc nitrate hexahydrate</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>96482-500G</td>
			<td>98% purity</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>2-Methylimidazole</td>
			<td>Sigma-Aldrich</td>
			<td>M50850-500G</td>
			<td>99% purity</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Benzimidazole</td>
			<td>TCI</td>
			<td>B0054-500G</td>
			<td>98% purity</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Tape</td>
			<td>DuPont</td>
			<td>KPT-1/8</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Epoxy</td>
			<td>GC Electronics</td>
			<td>19-823</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Copper foil</td>
			<td>Alfa Aesar</td>
			<td>13380.CV</td>
			<td>99.9% purity</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Power source for EPD</td>
			<td>Gamry Instruments</td>
			<td>Interface 1000E Potentiostat</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Ultrasonic cleaner</td>
			<td>MTI corporation</td>
			<td>VGT-1860QTD</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>AAO</td>
			<td>GE Healthcare Life Sciences&#8206;</td>
			<td>6809-7013</td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PAN</td>
			<td>Shandong MegaVision</td>
			<td></td>
			<td>The molecular weight cut-off is 100 kDa</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

electrophoretic crystallization of ultrathin high-performance metal-organic framework membranes

De synthese van dunne, zeer intergrown, polykristallijne metaal-organische framework (MOF) membranen rapporteren we over een breed scala van ongewijzigde poreuze en niet-poreuze ondersteunt (polymeer, keramiek, metaal, carbon en grafeen). Wij ontwikkelden een nieuwe kristallisatie-techniek, die de ENACT aanpak heet: de vergadering van de elektroforetische kernen voor de kristallisatie van zeer intergrown dunne lagen (ENACT). Deze aanpak zorgt voor een hoge dichtheid van heterogene nucleatie van MOFs aan een gekozen substraat via de elektroforetische afzetting (EPD) rechtstreeks vanaf de voorloper sol. De groei van goed verpakt MOF kernen leidt tot een zeer intergrown polykristallijne MOF film. We laten zien dat deze eenvoudige aanpak kan worden gebruikt voor de synthese van dunne, intergrown zeoliet imidazool kader (ZIF) -7 en de films van de ZIF-8. De resulterende 500 nm-dikke ZIF-8 membranen Toon een aanzienlijk hoog H2 permeance (8.3 x 10-6 mol m-2 s-1 Pa-1) en ideaal gas selectivities (7.3 voor H2/CO2, 15,5 voor H2/n2, 16.2 voor H2/CH4en 2655 voor H2/C3H8). Een mooie prestatie voor C3H6/C3H8 scheiding is ook bereikt (een C3H6 permeance van 9,9 x 10-8 mol m-2 s-1 Pa-1 en een C3H 6c3H8 ideaal selectiviteit van 31,6 bij 25 ° C). Globaal, kan het proces van ENACT, vanwege haar eenvoud, worden uitgebreid synthetiseren intergrown dunne lagen van een breed scala van nanoporeuze kristallijne materialen.

Een zelfgemaakte EPD set-up werd gebruikt voor het synthetiseren van de MOF films (Figuur 1). Scanning elektronen microscopie (SEM) beelden en röntgendiffractie (XRD) werden patronen verzameld voor de ZIF-8 kernen film (Figuur 2). SEM was gebruikt om het imago van de morphologies van het oppervlak en transversale AAO ondersteuning, ZIF-8/AAO membraan, PAN ondersteuning, ZIF-8/PAN membraan, ZIF-8/grafeen film, en ZIF-7/AAO membra...

Watch this Scientific Journal Video about Electrophoretic Crystallization of Ultrathin High-performance Metal-organic Framework Membranes at JoVE.com

Electrophoretic Crystallization of Ultrathin High-performance Metal-organic Framework Membranes

Elektroforetische kristallisatie van ultradunne High-performance metaal-organische kader membranen

Een eenvoudige, reproduceerbare en veelzijdige aanpak voor de synthese van intergrown, polykristallijne metaal-organische kader membranen op een breed scala van ongewijzigde poreuze en niet-poreuze ondersteunt wordt gepresenteerd.

We report the synthesis of thin, highly intergrown, polycrystalline metal-organic framework (MOF) membranes on a wide range of unmodified porous and ...

Research

JoVE Journal

Chemistry

Synthesis and Characterization of Functionalized Metal-organic Frameworks

Synthese en karakterisering van gefunctionaliseerde metaal-organische roosters

Metal-organic frameworks have attracted extraordinary amounts of research attention, as they are attractive candidates for numerous industrial and ...

Synthesis of a Water-soluble Metal&#8211;Organic Complex Array

Synthesis of a Water-soluble MetalÃƒÆ’Ã‚Â¢ÃƒÂ¢Ã¢â‚¬Å¡Ã‚Â¬ÃƒÂ¢Ã¢â€šÂ¬Ã…â€œOrganic Complex Array

Synthese van een water-oplosbaar metaal-organisch complex Array

We demonstrate a method for the synthesis of a water-soluble multimetallic peptidic array containing a predetermined sequence of metal centers such as ...

Synthesis of a Thiol Building Block for the Crystallization of a Semiconducting Gyroidal Metal-sulfur Framework

Synthese van een Thiol bouwsteen voor de kristallisatie van een halfgeleidende Gyroidal metaal-zwavel-kader

We present a method for preparing thioester molecules as the masked form of the thiol linkers and their utilization for accessing a semiconducting and ...

Surface Functionalization of Metal-Organic Frameworks for Improved Moisture Resistance

Oppervlakte Functionalization van metaal-organische kaders voor verbeterde vochtbestendigheid

Metal-organic frameworks (MOFs) are a class of porous inorganic materials with promising properties in gas storage and separation, catalysis and sensing. ...

In situ FTIR Spectroscopy as a Tool for Investigation of Gas/Solid Interaction: Water-Enhanced CO2 Adsorption in UiO-66 Metal-Organic Framework

In situ FTIR Spectroscopy as a Tool for Investigation of Gas/Solid Interaction: Water-Enhanced CO2 Adsorption in UiO-66 Metal-Organic Framework

In situ FTIR Spectroscopie als hulpmiddel voor onderzoek naar gas/vaste interactie: waterversterkte CO2 Adsorptie in UiO-66 Metaal-Organisch Framework

In situ infrared spectroscopy is an inexpensive, highly sensitive, and selective valuable tool to investigate the interaction of polycrystalline solids ...

Development of Heterogeneous Enantioselective Catalysts using Chiral Metal-Organic Frameworks (MOFs)

Development of Heterogeneous Enantioselective Catalysts using Chiral Metal-Organic Frameworks MOFs

Ontwikkeling van heterogene enantioselectieve katalysatoren met behulp van chirale metaal-organische kaders (Mof's)

Substrate size discrimination by the pore size and homogeneity of the chiral environment at the reaction sites are important issues in the validation of ...

Synthesis of Single-Crystalline Core-Shell Metal-Organic Frameworks

Because of their designability and unprecedented synergistic effects, core-shell metal-organic frameworks (MOFs) have been actively examined recently. ...

A Technical Guide for Performing Spectroscopic Measurements on Metal-Organic Frameworks

Een technische gids voor het uitvoeren van spectroscopische metingen aan metaal-organische raamwerken

Metal-organic frameworks (MOFs) offer a unique platform to understand light-driven processes in solid-state materials, given their high structural ...

Synthesis and Discovery of Phosphonate-Based MOFs: A Solvothermal Approach

Discovery and Synthesis Optimization of Isoreticular Al(III) Phosphonate-Based Metal-Organic Framework Compounds Using High-Throughput Methods

Accelerating Discovery in Microporous Material Chemistry (Video) | JoVE

Ontdekking en synthese optimalisatie van isoreticulaire Al(III) op fosfonaat gebaseerde metaal-organische raamwerkverbindingen met behulp van high-throughput methoden

High-throughput (HT) methods are an important tool for the fast and efficient screening of synthesis parameters and the discovery of new materials. This ...