Name: electrophoretic crystallization of ultrathin high-performance metal-organic framework membranes
Uploaded: 2018-08-16T15:00:00
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Wir anerkennen unsere Heimat-Institution der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), für seine großzügige Unterstützung. Dieses Projekt wird finanziell von der Europäischen Union Horizont 2020 Forschung und Innovationsprogramm unter Marie Skłodowska-Curie Finanzhilfevereinbarung Nr. 665667. Die Autoren danken für seine Hilfe bei XRD Pascal Alexander Schouwink.

Achtung: Lesen Sie sorgfältig die Sicherheitsdatenblätter (SDB) der beteiligten Chemikalien. Einige der im Experiment verwendeten Chemikalien sind giftig. Die vorliegende Methode beinhaltet die Synthese von Nanopartikeln. Daher, Vorkehrungen Sie geeignete treffen. Das gesamte Synthese-Verfahren muss in einem gut gelüfteten Abzug durchgeführt werden.
Hinweis: Die Details der Instrumente, die Chemikalien und Materialien in der Synthese der MOF-Filme sind in Tabelle 1aufgefü...

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	<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>

Die herausragenden Merkmal dieser ENACT Methode in Bezug auf die bestehenden Methoden15 ist, dass die ENACT-Methode die Synthese von stark verwachsenen, ultradünnen MOF-Filme auf einer Vielzahl von Substraten porös und nicht porös ermöglicht. Jedes Substrat-Vorbehandlung wird vermieden, so dass diese Methode ganz einfach für die Synthese von MOF-Filme. EPD-Ausrüstung hat, zwar für die Ablagerung von Kernen Film verwendet werden ist die Ausrüstung bestehend aus einer Stromquelle, ein Metall...

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 gemeldeten4,5gewesen. 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 Chemie6,7Intensiv 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 (Cn) wie in den Gleichungen 1 und 2 dargestellt.
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/58301/58301eq1.jpg"> (Gleichung 1)
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/58301/58301eq2.jpg"> (Gleichung 2)
Hier, V = die Drift-Geschwindigkeit Ζ = Zeta-Potential der Atomkerne, Εo = die Permittivität des Vakuums, ΕR = 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.

<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

Die Synthese von dünnen, stark verwachsenen polykristallinen Metall-organischen Framework (MOF) Membranen berichten wir über eine Vielzahl von unveränderten porösen und nicht porösen unterstützt (Polymer, Keramik, Metall, Carbon und Graphen). Wir entwickelten eine neuartige Kristallisation-Technik, die die ENACT Ansatz bezeichnet wird: die elektrophoretische Kerne Assembly für die Kristallisation von stark verwachsenen Dünnfilme (ENACT). Dieser Ansatz ermöglicht eine hohe Dichte an heterogene Keimbildung der MOFs an einem gewählten Substrat über die elektrophoretische Abscheidung (EPD) direkt aus der Vorläufer-Sol. Das Wachstum von gut verpackt MOF Kerne führt zu einem stark verwachsenen polykristallinen MOF-Film. Wir zeigen, dass dieser einfache Ansatz für die Synthese von dünnen, verwachsenen Zeolith Imidazol Rahmen (ZIF)-7 und ZIF-8 Filmen verwendet werden kann. Die daraus resultierende 500 nm dicken ZIF-8 Membranen zeigen eine deutlich hohe H2 Permeance (8,3 x 10-6 Mol m-2 s-1 Pa-1) und ideales Gas Selektivitäten (7.3 für H2Co2, 15,5 H2/n2, 16.2 für H2/CH4und 2655 für H2/c3H8). Ist auch eine attraktive Leistung für C3H6/c3H8 Trennung erreicht (eine C3H6 Permeance von 9,9 x 10-8 Mol m-2 s-1 Pa-1 und C3H 6/c3H8 ideale Selektivität von 31,6 bei 25 ° C). Insgesamt kann die ENACT Prozess wegen seiner Einfachheit, um verwachsenen Dünnschichten eine Vielzahl von nanoporösen kristalline Materialien zu synthetisieren erweitert werden.

Eine hausgemachte EPD-Setup wurde verwendet, um die MOF-Filme (Abbildung 1) zu synthetisieren. Scannen von Rasterelektronenmikroskopie (SEM) Bilder und Röntgendiffraktometrie (XRD) sammelten Muster für den ZIF-8 Kerne Film (Abbildung 2). SEM wurde verwendet, um die Oberflächen und Cross-Sectional Morphologien der AAO Unterstützung, ZIF-8/AAO-Membran, schalenträger, ZIF-8/PAN Membran, ZIF-8/Graphen Film und ZIF-7/AAO-Membran ...

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

Elektrophoretische Kristallisation von ultradünnen Hochleistungs-Metall-organischen Rahmen Membranen

Eine einfache, reproduzierbare und vielseitigen Ansatz für die Synthese von verwachsenen, polykristallinen Metall-organischen Rahmen Membranen auf eine Vielzahl von unveränderten porösen und nicht porösen unterstützt wird vorgestellt.

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

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