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

אנו להכיר במוסד בבית שלנו, אקול פוליטכניק Fédérale דה לוזאן (EPFL), על התמיכה הנדיבה. הפרויקט קיבל מימון אופק 2020 מחקר של האיחוד האירופי ולהעניק חדשנות תוכנית תחת מארי הספרותמוזאון הסכם 665667 מס. המחברים מודים פסקל אלכסנדר Schouwink לעזרתו עם XRD.

התראה: קרא בעיון את גיליונות נתונים בטיחות חומרים (MSDS) של הכימיקלים מעורב. כמה הכימיקלים המשמשים את הניסוי רעילים. השיטה הנוכחית כוללת את הסינתזה של חלקיקים. לכן, זהירות הולמים. יש לבצע את ההליך כולו סינתזה בשכונה fume מאוורר היטב.
הערה: הפרטים של כלי הנגינה, הכימיקלים וחומרים א...

<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>

המבנה הבולט של השיטה ENACT ביחס שיטות קיימות15 היא שיטת ENACT מאפשרת הסינתזה של סרטים MOF מאוד intergrown, ודק במיוחד על מגוון רחב של סובסטרטים נקבובי, nonporous. כל רעלני המצע הוא נמנע, הופך שיטה זו פשוטה מאוד לסינתזה של סרטים MOF. למרות EPD ציוד יש לשמש לתצהיר של סרט גרעינים, הציוד מורכב מקור כוח א...

ממברנות ניפוי מולקולרית דק מציעים של יעילות אנרגיה גבוהה להפרדה של מולקולות, באפשרותך להפחית את העלות הכוללת של דלקים, לכידת2 CO, טיהור מים, שחזור הממס,1, וכו'2. Mof הם מחלקה המבטיחים של חומר לסינתזה של ממברנות ניפוי מולקולרית בשל כימיה סינתטי מעורב isoreticular התגבשות פשוטה יחסית3. עד כה, MOF ממברנות הכוללת של מבנים גבישיים מגוונים, ובהם כי של זיף-4,-7, -8,-9-11,-67,-90, ו-93, ו UiO-66, HKUST-1, MIL-53 כבר דווח על4,5. ממברנות אלה הם מסונתז על ידי התגבשות באיכות גבוהה polycrystalline MOF סרטים על תמיכה נקבובי. בדרך כלל, כדי לקבל סלקטיביות הפרדה גבוהה, יש צורך להפחית את הליקויים בסרט MOF polycrystalline (כגון pinholes דגן-גבולות פגמים). גישה נוחה כדי להפחית את הליקויים הוא להתגבש סרט עבה. באופן לא מפתיע, כמה מוקדם יותר דיווח על MOF ממברנות הם עבות במיוחד (מעל 5 מיקרומטר). למרבה הצער, סרטים עבה להוביל נתיב ארוך דיפוזיה, אשר מגביל את permeance ממברנה. לכן, בעוד סלקטיביות משופרת, permeance הוא הקריב. כדי לעקוף את עסקאות חליפין, זה חיוני לפתח שיטות כדי לגבש זגוגית (< 0.5 מיקרומטר-עבה), ללא פגם MOF סרטים.
זיף-8 הוא הכי אינטנסיבית לימודי MOF סינתזה ממברנה, עקב יציבות יוצאת דופן שלה כימי, תרמי,6,כימיה7התגבשות פשוטה. עד כה, כבר הבין את הקרומים זיף-8 זגוגית שדווחה על-ידי שינוי פני השטח כימיה או הטופולוגיה של המצע נקבובי הבסיסית, להעדיף את התגרענות הטרוגנית של זיף-8, שהוא חיוני עבור סרט intergrown polycrystalline. למשל, חן ואח. דיווח על הסינתזה של הסרט זיף-8 מיקרומטר בעובי 1 טיו triethoxysilane-לאחרונה (3-aminopropyl)2-מצופה poly(vinylidene fluoride) (PVDF) חלול סיבים8. הם נצפו צפיפות גבוהה התגרענות הטרוגנית, לייחס אותו השינוי בו זמנית של פני השטח כימיה, ננו-מבנה. הקבוצה Peinemann דיווחו על קרום זיף-8 ודק במיוחד על chelating מתכת, polythiosemicarbazide (PTSC) תמיכה9. זו יכולת ייחודית chelating מתכת של PTSC הובילו הכריכה של אבץ יונים, לקדם את התגרענות הטרוגנית של זיף-8 אשר, לאחר מכן, הוביל את בעלי ביצועים גבוהים זיף-8 ממברנות. באופן כללי, כוונון את המצע כימיה, ננו-מבנה מקלה על הסינתזה של ביצועים גבוהים MOF ממברנות; עם זאת, שיטות אלה הם מורכבים למדי, בדרך כלל אין להחילה מחדש לסנתז MOF ממברנות של מבנים MOF אטרקטיביים אחרים.
במסמך זה, מדווחים הסינתזה של זגוגית, מאוד intergrown זיף-8 סרטים באמצעות גישה פשוטה ופסיביות התגבשות זה ניתן להחילה מחדש כדי ליצור סרט דק intergrown של חומרים גבישיים מספר10. אנו מראים דוגמאות של סרטים זיף-8 וזיף-7 מוכן ללא כל רעלני המצע, אשר מאוד מפשט את תהליך ההכנה. הסרטים זיף-8 מוכנות על מגוון רחב של סובסטרטים (קרמיקה, פולימר, מתכת, פחמן, ו גראפן). הסרט זיף-8 500 ננומטר בעובי תמיכה אנודי אלומיניום אוקסיד (AAO) מציג הופעה מושכת ההפרדה. Permeance2 H גבוה של 8.3 x 10-6 מול ז-2 s-1 הרשות הפלסטינית-1 ו selectivities אידיאלי אטרקטיבי של 7.3 (H2/CO2), 15.5 (H2/N2), 16.2 (H2/CH4) 2655 (H /C 23H8) מושגות.
הגישה התגבשות המאפשרת מעלל הנ ל היא ENACT. ENACT ההפקדות זיף-8 גרעינים על גבי מצע ישירות מסול קודמן של הגביש. הגישה מנצל EPD במשך תקופה קצרה מאוד של זמן (1-4 דקות) מיד אחרי הזמן אינדוקציה (הזמן כאשר האטומים המופיעים סול קודמן). היישום של שדה חשמלי גרעינים MOF טעונה כוננים אותם לכיוון אלקטרודה עם זרימה פרופורציונלי לעוצמת יישומית השדה החשמלי (E), ניידות electrophoretic של קולואיד (μ), ריכוז גרעינים (nC), כפי שמוצג משוואות 1 ו- 2.
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/58301/58301eq1.jpg"> (משוואת 1)
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/58301/58301eq2.jpg"> (משוואת 2)
כאן, v = את מהירות סחיפה. אפי = פוטנציאל זטה של הגרעינים, חדוהo = המקדם הדיאלקטרי של ואקום, חדוהr = על קבוע דיאלקטרי, ו Η = צמיגות של קודמן סול.
לכן, על ידי שליטה E ו- pH פתרון (הקובע אפי), צפיפות האריזה של גרעינים יכול להיות נשלט. הגידול עוקבות של גרעינים צפופה ב סול קודמן מאפשר לחוקרים לקבל סרט polycrystalline מאוד intergrown.

<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

אנחנו מדווחים הסינתזה של ממברנות מסגרת מתכת-אורגנית (MOF) polycrystalline דק, intergrown מאוד, על מגוון רחב של תומך נקבובי, שאינו נקבובי שלא שונתה (פולימר, קרמיקה, מתכת, פחמן, ו גראפן). פיתחנו טכניקה התגבשות חדשניים, אשר נקראת הגישה ENACT: מכלול גרעינים electrophoretic עבור התגבשויות של סרטים רזה מאוד intergrown (ENACT). גישה זו מאפשרת צפיפות גבוהה של התגרענות הטרוגנית של Mof על המצע שבחרת באמצעות העדות electrophoretic (EPD) ישירות מ- סול קודמן. הצמיחה של גרעינים MOF ארוזה היטב מוביל סרט MOF polycrystalline מאוד intergrown. אנו מראים כי גישה פשוטה זו יכול לשמש לסינתזה של זאוליט דק, intergrown imidazole מסגרת (זיף)-7 וסרטים זיף-8. וכתוצאה מכך 500 ננומטר בעובי זיף-8 ממברנות הצגת permeance2 H גבוה במידה ניכרת (8.3 x 10-6 מול ז-2 s-1 הרשות הפלסטינית-1) של גז אידאלי selectivities (7.3 H2/CO2, 15.5 H2/N2, 16.2 עבור H-2-/CH-4, ו- 2655 H2/C3H8). הופעה מושכת עבור C3H6/C3H8 ההפרדה היא גם השיגה (של C3H6 permeance של 9.9 x 10-8 מול ז-2 s-1 הרשות הפלסטינית-1 ו- C3H 6/C3H8 אידיאלי סלקטיביות של 31.6 25 ° c). בסך הכל, ניתן להאריך את תהליך ENACT, בשל פשטותו, לסנתז intergrown סרטים רזה של מגוון רחב של חומרים גבישיים nanoporous.

מלכודת EPD תוצרת בית שימש לסנתז את הסרטים MOF (איור 1). סריקת רנטגן עקיפה (XRD) ותמונות של מיקרוסקופ אלקטרונים (SEM) דפוסי נאספו עבור הסרט גרעין זיף-8 (איור 2). SEM השתמשו בתמונה על פני השטח ואת חתך הרוחב מורפולוגיות של AAO תמיכה, זיף-8/AAO קרום, תמיכה פאן, ז?...

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

התגבשות electrophoretic של ממברנות זגוגית ביצועים גבוהים מסגרת מתכת-אורגני

גישה פשוטה, הדירים רב-תכליתי לסינתזה של ממברנות מסגרת מתכת-אורגנית polycrystalline intergrown, על מגוון רחב של יאומתו נקבובי ותומך שאינו נקבובי מוצג.

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

מסגרות סינתזה ואפיון של פונקציונליות מתכת אורגנית

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

סינתזה של מערך מורכב מתכת-אורגנית נמס במים

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

סינתזה של אבן בניין תיול עבור התגבשויות של מסגרת מתכת Gyroidal-גופרית מוליכים למחצה

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

Functionalization פני השטח של מסגרות מתכת-אורגנית להתנגדות לחות משופר

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

באתרו FTIR ספקטרוסקופיית ככלי לחקירת גז/אינטראקציה מוצקה: שיתוף משופר מים2 Adsorption ב uio-66 מתכת-אורגני המסגרת

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

פיתוח זרזים הטרוגנית אנאנטיוניקטיביים באמצעות מתכת כיאלית-אורגנית מסגרות (MOFs)

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

מדריך טכני לביצוע מדידות ספקטרוסקופיות במסגרות מתכת-אורגניות

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

גילוי וסינתזה אופטימיזציה של תרכובות מסגרת מתכת-אורגניות מבוססות פוספונטים Isoreticular Al(III) באמצעות שיטות תפוקה גבוהה

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