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

हम अपने उदार समर्थन के लिए, इकोले पॉलीटेक्निक Fédérale de लौसने (EPFL), हमारे घर संस्था स्वीकार करते हैं । इस प्रोजेक्ट को मैरी Skłodowska-क्यूरी ग्रांट एग्रीमेंट नंबर ६६५६६७ के तहत यूरोपियन यूनियन के क्षितिज २०२० रिसर्च एंड इनोवेशन प्रोग्राम से फंडिंग मिली है । लेखकों XRD के साथ उनकी मदद के लिए पास्कल अलेक्जेंडर Schouwink धंयवाद ।

सावधानी: सामग्री सुरक्षा डाटा शीट (MSDS) शामिल रसायनों की ध्यान से पढ़ें । प्रयोग में प्रयुक्त होने वाले कुछ रसायन विषैले होते हैं । वर्तमान विधि नैनोकणों के संश्लेषण शामिल है । इसलिए उचित एहतियात बरतें ।...

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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. 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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. 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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>

15 मौजूदा विधियों के संबंध में अधिनियमित विधि की असाधारण विशेषता यह है कि अधिनियमित विधि अत्यधिक विकसित, ultrathin MOF फिल्मों के संश्लेषण को असुरक्षित और असुरक्षित सब्सट्रेट की एक विस्तृत श्रृंखला ?...

पतली आणविक sieving झिल्ली अणुओं की जुदाई में एक उच्च ऊर्जा दक्षता प्रदान करते हैं और ईंधन की कुल लागत को कम कर सकते हैं,सह 2 कब्जा, जल शोधन, विलायक वसूली , आदि1,2. MOFs क्योंकि शामिल isoreticular सिंथेटिक रसायन विज्ञान और अपेक्षाकृत सीधी क्रिस्टलीकरण के आणविक sieving झिल्ली के संश्लेषण के लिए सामग्री का एक होनहार वर्ग है3। तारीख करने के लिए, MOF ZIF-4,-7,-8,-9,-11,-६७,-९०, और ९३, और यूिो-६६, HKUST-1, और मिल-५३ की है कि सहित विविध क्रिस्टलीय संरचनाओं के शामिल झिल्ली,4,5रिपोर्ट किया गया है । इन झिल्ली एक असुरक्षित समर्थन पर उच्च गुणवत्ता polycrystalline MOF फिल्मों सघन द्वारा संश्लेषित कर रहे हैं । आम तौर पर, एक उच्च जुदाई selectivity प्राप्त करने के लिए, यह polycrystalline MOF फिल्म (जैसे pinholes और अनाज सीमा दोष) में दोषों को कम करने के लिए आवश्यक है । दोषों को कम करने के लिए एक सुविधाजनक दृष्टिकोण एक मोटी फिल्म सघन करने के लिए है । आश्चर्य नहीं, पहले MOF झिल्ली पर रिपोर्ट के कई (5 µm पर) बेहद मोटी हैं । दुर्भाग्य से, मोटी फिल्मों एक लंबे प्रसार पथ है, जो झिल्ली permeance सीमा के लिए सीसा । इसलिए, जबकि selectivity सुधार हुआ है, permeance बलि है । इस व्यापार-बंद को दरकिनार करने के लिए ultrathin (< ०.५ µm-थिक), दोष रहित MOF फिल्मों को सघन करने के तरीकों को विकसित करना अनिवार्य है ।
ZIF-8 अपनी असाधारण रासायनिक और थर्मल स्थिरता और एक सरल क्रिस्टलीकरण रसायन विज्ञान6,7के कारण झिल्ली संश्लेषण के लिए सबसे अधिक गहन अध्ययन MOF है । अब तक, रिपोर्ट ultrathin ZIF-8 झिल्ली सतह रसायन या अंतर्निहित छिद्रित सब्सट्रेट के टोपोलॉजी बदलने से महसूस किया गया है, ZIF के विषम nucleation-8, जो एक ऊंचा polycrystalline फिल्म के लिए आवश्यक है एहसान । मसलन, चेन एट अल. 1 µm के संश्लेषण की सूचना-मोटी ZIF-8 फिल्म पर (3-aminopropyl) triethoxysilane-संशोधित TiO2-लेपित पाली (vinylidene फ्लोराइड) (PVDF) खोखले रेशों8। वे एक उच्च विषम nucleation घनत्व मनाया और यह सतह रसायन विज्ञान और nanostructure के एक साथ संशोधन करने के लिए जिंमेदार ठहराया । Peinemann समूह एक धातु-chelating, polythiosemicarbazide (PTSC)9समर्थन पर एक ultrathin ZIF-8 झिल्ली की सूचना दी । PTSC की इस अनूठी धातु-chelating क्षमता जस्ता आयनों के बंधन के लिए नेतृत्व किया, ZIF के विषम nucleation को बढ़ावा देने-8 जो, बाद में, उच्च प्रदर्शन ZIF-8 झिल्ली के लिए नेतृत्व किया. सामांय में, सब्सट्रेट रसायन विज्ञान ट्यूनिंग और nanostructure उच्च प्रदर्शन MOF झिल्ली के संश्लेषण की सुविधा; हालांकि, इन पद्धतियों काफी जटिल हैं, और आम तौर पर अन्य आकर्षक MOF संरचनाओं से MOF झिल्ली संश्लेषित करने के लिए फिर से लागू किया जा सकता.
इस के साथ साथ, हम ultrathin के संश्लेषण की रिपोर्ट, उच्च ZIF-8 एक सरल और बहुमुखी क्रिस्टलीकरण दृष्टिकोण है कि कई क्रिस्टलीय सामग्री10के एक पतली बढ़ी फिल्म के रूप में लागू किया जा सकता का उपयोग फिल्मों । हम ZIF-8 और ZIF-7 किसी भी सब्सट्रेट उपचार, जो बहुत तैयारी की प्रक्रिया को सरल बिना तैयार फिल्मों के उदाहरण दिखाते हैं । ZIF-8 फिल्मों सब्सट्रेट (सिरेमिक, बहुलक, धातु, कार्बन, और ग्राफीन) की एक विस्तृत श्रृंखला पर तैयार कर रहे हैं । एक anodic एल्यूमीनियम ऑक्साइड पर ५०० एनएम-मोटी ZIF-8 फिल्म (आओ) समर्थन एक आकर्षक जुदाई प्रदर्शन प्रदर्शित करता है । ८.३ x 10 के एक उच्च एच2 permeance-6 मॉल एम-2 एस-1 पीए-1 और आकर्षक आदर्श selectivities की ७.३ (एच2/CO2), १५.५ (एच2/N2), १६.२ (एच2/CH4), और २६५५ (एच 2परि/3ज8) हासिल कर रहे हैं ।
उपर्युक्त करतब को सक्षम बनाता है कि क्रिस्टलीकरण दृष्टिकोण अधिनियमित है । अधिनियमित जमा ZIF-8 क्रिस्टल के प्रणेता सोल से सीधे एक सब्सट्रेट पर नाभिक. दृष्टिकोण समय की एक बहुत ही छोटी अवधि के लिए EPD का उपयोग (1-4 मिनट) सही प्रेरण समय के बाद (समय जब नाभिक के प्रणेता सोल में दिखाई देते हैं) । आरोप लगाया MOF नाभिक के लिए एक बिजली के क्षेत्र के आवेदन उन्हें एक प्रवाह है कि लागू बिजली क्षेत्र की ताकत के लिए आनुपातिक है के साथ एक इलेक्ट्रोड की ओर ड्राइव (ई), colloid की electrophoretic गतिशीलता (μ), और की एकाग्रता नाभिक (Cn) जैसा समीकरण 1 और 2 में दिखाया गया है ।
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/58301/58301eq1.jpg"> (समीकरण 1)
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/58301/58301eq2.jpg"> (समीकरण 2)
यहाँ v = बहाव वेग, ζ = नाभिक के जीटा क्षमता, εo = निर्वात का permittivity, εr = अचालक स्थिरांक, और η = प्रणेता सोल की चिपचिपाहट ।
इसलिए, ई और समाधान पीएच को नियंत्रित करके (जो ζ निर्धारित करता है), नाभिक के पैकिंग घनत्व को नियंत्रित किया जा सकता है । बाद में घनी नाभिक के प्रणेता सोल में वृद्धि के बाद शोधकर्ताओं ने एक उच्च polycrystalline फिल्म प्राप्त करने के लिए अनुमति देता है ।

<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

हम के संश्लेषण की रिपोर्ट पतली, उच्च ऊंचा, polycrystalline धातु-कार्बनिक फ्रेमवर्क (MOF) झिल्ली की एक विस्तृत श्रृंखला पर unmodifieded असुरक्षित और गैर-असुरक्षित का समर्थन करता है (बहुलक, चीनी मिट्टी, धातु, कार्बन, और) । हमने एक उपंयास क्रिस्टलीकरण तकनीक विकसित की है, जो अधिनियमित दृष्टिकोण है: अत्यधिक बढ़ी हुई पतली फिल्मों के क्रिस्टलीकरण के लिए electrophoretic नाभिक विधानसभा (अधिनियमित) । इस दृष्टिकोण MOFs के विषम nucleation के एक उच्च घनत्व के लिए अनुमति देता है electrophoretic जमाव (EPD) के माध्यम से सीधे प्रणेता सोल से एक चुना सब्सट्रेट पर । अच्छी तरह से पैक MOF नाभिक की वृद्धि एक उच्च polycrystalline MOF फिल्म की ओर जाता है । हम बताते है कि इस सरल दृष्टिकोण पतली, ऊंचा जिओलाइट imidazole फ्रेमवर्क (ZIF)-7 और ZIF-8 फिल्मों के संश्लेषण के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है । परिणामस्वरूप ५०० एनएम-मोटी ZIF-8 झिल्ली दिखाने के लिए एक काफी उच्च एच2 permeance (८.३ x 10-6 मॉल एम-2 एस-1 पीए-1) और आदर्श गैस selectivities (एच2/CO2, १५.५ के लिए एच2/N2के लिए ७.३, १६.२ के लिए एच2/CH4, और २६५५ के लिए एच2परि3ज8). सी के लिए एक आकर्षक प्रदर्शन3ज6/3ज8 जुदाई भी हासिल की है (ए सी3एच6 permeance के ९.९ x 10-8 मॉल एम-2 एस-1 पीए-1 और ए सी3एच 6परि3ज8 आदर्श selectivity पर ३१.६ के 25 ° c) । कुल मिलाकर, अपनी सादगी के कारण अधिनियमित प्रक्रिया, nanoporous क्रिस्टलीय सामग्री की एक विस्तृत श्रृंखला के एक बड़े से अधिक पतली फिल्मों के संश्लेषण के लिए बढ़ाया जा सकता है.

एक घर के EPD सेट अप MOF फिल्मों (चित्रा 1) को संश्लेषित करने के लिए इस्तेमाल किया गया था । ZIF-8 नाभिक फिल्म (चित्रा 2) के लिए स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM) छवियों और एक्स...

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

Ultrathin उच्च प्रदर्शन धातु-कार्बनिक फ्रेमवर्क झिल्ली की Electrophoretic क्रिस्टलीकरण

एक सरल, reproducible, और बहुमुखी दृष्टिकोण के संश्लेषण के लिए, polycrystalline धातु-unmodified और गैर असुरक्षित समर्थन करता है की एक विस्तृत श्रृंखला पर कार्बनिक ढांचा झिल्ली प्रस्तुत किया है ।

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

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