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

Vi erkjenner vårt hjem institusjon, École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), for sjenerøs støtte. Dette prosjektet har mottatt finansiering fra EUs horisonten 2020 forskning og innovasjon programmet under Marie Skłodowska-Curie gi avtalen nr. 665667. Forfatterne takker Pascal Alexander Schouwink for hans hjelp med XRD.

FORSIKTIG: Les nøye de Studer Produktdatablad (MSDS) av kjemikalier som er involvert. Noen av kjemikaliene som brukes i eksperimentet er giftig. Den nåværende metoden innebærer syntesen av nanopartikler. Derfor ta nødvendige forholdsregler. Hele syntese prosedyren må utføres i godt ventilert avtrekksvifte.
Merk: Detaljer om instrumenter, kjemikalier og materialer som er involvert i syntesen av MOF filmene er oppført i tabell 1.
1. utarbeidelse...

<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>

Det enestående ansiktstrekk av metoden ENACT forhold til de eksisterende metoder15 er at metoden ENACT muliggjør syntesen av svært intergrown, supertynn MOF filmer på en rekke porøs og nonporous underlag. Noen underlaget forbehandling unngås, gjør denne metoden ganske grei for syntese av MOF filmer. Selv om EPD utstyr må benyttes til deponering av en kjerner film, består utstyret av en strømkilde, en metall elektrode og et beger, som er ganske enkel og tilgjengelig. Vi tror at denne lett...

Tynne molekylær sikting membraner tilbyr en høy-energi effektivitet i separasjon av molekyler og kan redusere de totale kostnadene av drivstoff, CO2 fange, vannrensing, løsemiddel utvinning, etc.1,2. MOF-filene er en lovende klasse materiale for syntese av molekylære sikting membraner involvert isoreticular syntetiske kjemi og relativt enkelt krystallisering3. Hittil MOF membraner består av mangfoldige krystallinsk strukturer, inkludert at av ZIF-4-7,-8,-9,-11,-67,-90, og-93, UiO-66, HKUST-1 og MIL-53 har vært rapportert4,5. Disse membranene er synthesized av bandets høykvalitets polycrystalline MOF filmer på en porøs støtte. Generelt, for å få en høy separasjon selektivitet, er det nødvendig å redusere feil i polycrystalline MOF filmen (som knappenålshull og korn-grense feil). En praktisk tilnærming til å redusere feil er å utkrystallisere en tykk film. Ikke overraskende, flere av de tidligere rapportert på MOF membraner er svært tykk (over 5 µm). Dessverre føre tykk filmer en lang diffusjon bane, som begrenser membran permeance. Derfor, mens selektivitet er forbedret, permeance er ofret. For å omgå disse kompromissene, er det viktig å utvikle metoder å utkrystallisere ultrathin (< 0,5 µm-tykk), feilfrie MOF filmer.
ZIF-8 er de studerte intensivt MOF for membran syntese, på grunn av sin enestående kjemisk og termisk stabilitet og en enkel krystallisering kjemi6,7. Så langt har rapportert ultrathin ZIF-8 membraner blitt realisert ved å endre overflatekjemi eller topologien i underliggende porøse underlaget, favoriserer den heterogene nucleation ZIF-8, som er avgjørende for en intergrown polycrystalline film. For eksempel Chen et al. rapportert syntesen av 1 µm tykke ZIF-8 film (3-aminopropyl) triethoxysilane endret TiO2-belagt poly(vinylidene fluoride) (PVDF) hul fiber8. De observerte en høy heterogene nucleation tetthet og tilskrives den samtidige endring av overflatekjemi og nanostructure. Gruppen Peinemann rapportert en supertynn ZIF-8 membran på en metall-chelaterande, polythiosemicarbazide (PTSC) støtte9. Denne unike metall-chelaterande evnen av PTSC førte til binding av sink ioner, fremme den heterogene nucleation ZIF-8 som deretter førte til høy ytelse ZIF-8 membraner. Generelt, forenkler tuning substrat kjemi og nanostructure syntesen av høy ytelse MOF membraner; men disse metodene er ganske komplisert, og vanligvis brukes ikke for å syntetisere MOF membraner fra andre attraktive MOF-strukturer.
Her rapporterer vi syntesen av supertynn, svært intergrown ZIF-8 filmer med en enkel og allsidig krystallisering tilnærming som kan brukes for å danne en tynn intergrown film av flere krystallinsk materialer10. Vi viser eksempler på ZIF-8 og ZIF-7 filmer forberedt uten noen underlaget forbehandling, noe som forenkler forberedelsesprosessen. ZIF-8 filmene er forberedt på en rekke forskjellige underlag (keramiske, polymer, metall, karbon og Grafén). 500 nm-tykk ZIF-8 filmen på en anodic aluminiumoksid (AAO) støtte viser en attraktiv separasjon ytelse. En høy H2 permeance av 8.3 x 10-6 mol m-2 s-1 Pa-1 og attraktive ideelle selectivities 7.3 (H2/CO2), 15.5 (H2/N2), 16.2 (H2ugyldig4) og 2655 (H 2/C3H8) er oppnådd.
Den krystallisering tilnærmingen som gjør at den ovennevnte feat er ENACT. ENACT innskudd ZIF-8 kjerner på et substrat direkte fra crystal's forløper sol. Tilnærming benytter EPD for en svært kort periode (1-4 min) rett etter induksjon tiden (tiden når kjerner vises i forløperen sol). Anvendelsen av et elektrisk felt til ladet MOF kjerner driver dem mot en elektrode med en forandring som er proporsjonal med styrken på elektriske feltet utlignet (E), electrophoretic mobilitet av kolloid (μ) og konsentrasjonen av kjerner (Cn) som vist i formler 1 og 2.
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/58301/58301eq1.jpg"> (Formel 1)
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/58301/58301eq2.jpg"> (Formel 2)
her v = hastigheten drift Ζ = zeta potensialet i kjerner, Εo = permittivity vakuum, Εr = dielektrisk konstant, og Η = viskositet av forløperen sol.
Derfor, ved å kontrollere E og løsningen pH (som bestemmer ζ), pakking tettheten av kjerner kan kontrolleres. Etterfølgende veksten av tett pakket kjerner i forløperen sol kan forskere å få en svært intergrown polycrystalline 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

Vi rapporterer syntesen av tynt, sterkt intergrown, polycrystalline metall-organisk framework (MOF) membraner på en rekke uforandret porøse og ikke-porøse støtter (polymer, keramikk, metall, karbon og Grafén). Vi utviklet en roman krystallisering teknikk, som kalles ENACT tilnærming: electrophoretic kjerner samlingen for krystallisering av svært intergrown tynne filmer (ENACT). Denne tilnærmingen gir en høy tetthet av heterogene nucleation av MOF-filene på en valgt substrat via electrophoretic avsetning (EPD) direkte fra forløper sol. Veksten av godt pakket MOF kjerner fører til en svært intergrown polycrystalline MOF film. Vi viser at denne enkle tilnærming kan brukes for syntese av tynne, intergrown Zeolitt imidazole rammeverk (ZIF) -7 og ZIF-8 filmer. Resulterende 500 nm-tykk ZIF-8 membraner viser en stor H2 permeance (8.3 x 10-6 mol m-2 s-1 Pa-1) og ideell gass selectivities (7.3 for H2/CO215.5 for H2/N2, 16.2 for H2ugyldig4og 2655 H2/C3H8). En attraktiv ytelse for C3H6/C3H8 separasjon er også oppnådd (en C3H6 permeance av 9,9 x 10-8 mol m-2 s-1 Pa-1 og C3H 6/C3H8 ideelle selektivitet av 31,6 ved 25 ° C). Samlet kan ENACT prosessen, på grunn av sin enkelhet, utvides for å syntetisere intergrown tynne filmer av en rekke nanoporous krystallinsk materialer.

En hjemmelaget EPD oppsett ble brukt til å syntetisere MOF filmene (figur 1). Skanning elektronmikroskop (SEM) bilder og X-ray Diffraksjon (XRD) ble mønstre samlet til ZIF-8 kjerner filmen (figur 2). SEM ble brukt å image overflate og cross-sectional morphologies av AAO støtte, ZIF-8/AAO membran, støpejernsplate, ZIF-8/PAN membran, ZIF-8/Grafén film og ZIF-7/AAO membran (Figur 3). Gass permeanc...

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

Electrophoretic krystallisering av Ultrathin høyytelses Metal-organisk Framework membraner

En enkel, reproduserbare og allsidig tilnærming for syntese av intergrown, polycrystalline metall-organisk framework membraner på et bredt spekter av uforandret porøs og ikke-porøse støtter presenteres.

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

Syntese og karakterisering av funksjon Metal-organisk Rammeverk

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

Syntese av en vann-løselig metall-organisk kompleks rekke

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

Syntese av en Thiol byggestein for krystallisering av en Semiconducting Gyroidal Metal-svovel-ramme

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

Overflate Functionalization av metall-organisk rammeverk for forbedret fukt motstand

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 (andre) FTIR Spektroskopi som et verktøy for undersøkelse av gass / solid interaksjon: Vannforbedret CO2 Adsorpsjon i UiO-66 Metal-Organic 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

Utvikling av heterogene Enantioselective katalysatorer bruker chiral metal-organiske rammeverk (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

En teknisk veiledning for å utføre spektroskopiske målinger på metall-organiske rammer

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

Oppdagelse og synteseoptimalisering av isoretikulære Al(III)fosfonatbaserte metallorganiske rammeforbindelser ved bruk av høykapasitetsmetoder

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