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

Reconocemos nuestra institución, la École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL), por su generoso apoyo. Este proyecto ha recibido financiación de Horizon 2020 investigación la Unión Europea y programa de innovación en Marie Skłodowska-Curie conceder acuerdo Nº 665667. Los autores agradecen a Pascal Alexander Schouwink por su ayuda con DRX.

PRECAUCIÓN: Lea cuidadosamente las hojas de datos de seguridad del material (MSDS) de los productos químicos implicados. Algunos de los productos químicos utilizados en el experimento son tóxicos. El presente método consiste en la síntesis de nanopartículas. Por lo tanto, tomar las precauciones apropiadas. El procedimiento de síntesis todo debe realizarse en una campana bien ventilada.
Nota: Los detalles de los instrumentos, los productos químicos y los materiales involucrados en la s...

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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. 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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>

La característica sobresaliente del método con respecto a los métodos existentes15 ENACT es que el método ENACT permite la síntesis de películas MOF muy pegadas, ultrafinas en una amplia gama de sustratos porosos y no porosos. Se evita cualquier pretratamiento del sustrato, haciendo este método bastante sencillo para la síntesis de películas MOF. Aunque el equipo EPD debe ser utilizado para la deposición de una película de núcleos, el equipo se compone de una fuente de energía, un ele...

Las membranas delgadas de tamizado moleculares ofrecen una eficacia alta energía en la separación de las moléculas y pueden reducir los costos de combustibles, captura de CO2 , purificación del agua, recuperación de solventes, etc.1,2. MOF es una prometedora clase de material para la síntesis de membranas tamizadas moleculares debido a la química sintética isoreticular implicados y cristalización relativamente simple3. Hasta la fecha, MOF membranas consta de diversas estructuras cristalinas, incluyendo que ZIF-4, -7, -8, -9, -11,-67, -90 y -93 y UiO-66, HKUST-1 y 53 MIL han sido reportados4,5. Estas membranas son sintetizadas por la cristalización de la películas MOF policristalinos de alta calidad sobre un soporte poroso. Generalmente, para obtener una selectividad alta separación, es necesario reducir los defectos en la película MOF policristalino (como agujeros de alfiler y defectos de límite de grano). Un método conveniente para reducir los defectos es cristalizar una película gruesa. No en vano, varios de los anteriormente informados en MOF, las membranas son extremadamente gruesas (más de 5 μm). Por desgracia, películas gruesas conducen a un camino de difusión largo, que limita la permeabilidad de la membrana. Por lo tanto, mientras se mejora la selectividad, permeancia es sacrificado. Para eludir este compromiso, es imperativo desarrollar métodos cristalizar ultrafino (< 0.5 μm espesor), defectos películas MOF.
ZIF-8 es el más intensamente estudiado MOF para la síntesis de membrana, debido a su excepcional estabilidad térmica y química y una cristalización simple química6,7. Hasta ahora, se han realizado las membranas ultrafinas divulgadas de ZIF-8 cambiando la química de superficies o topología del sustrato poroso subyacente, favorecen la nucleación heterogénea de ZIF-8, que es esencial para una película polycrystalline pegados. Por ejemplo, Chen et al. informó la síntesis de 1 película de ZIF-8 μm de espesor (3-aminopropil) modificado de trietoxisilano TiO2-revestido poly(vinylidene fluoride) (PVDF) hueco fibras8. Se observa una densidad de alta nucleación heterogénea y atribuye a la modificación simultánea de la química de superficies y nanoestructuras. El grupo Peinemann informó una membrana ultrafina de ZIF-8 sobre un metal-quelantes, polythiosemicarbazide (PTSC) apoyo9. Esta única capacidad quelante de metal de PTSC condujo a la Unión de los iones de zinc, promover la nucleación heterogénea de ZIF-8 que, posteriormente, condujo a ZIF-8 membranas de alto rendimiento. En general, templar la química del substrato y nanoestructura facilita la síntesis de membranas de alto rendimiento MOF; sin embargo, estos métodos son bastante complejos y generalmente no pueden ser reaplicados para sintetizar membranas MOF de otras atractivas estructuras MOF.
Adjunto, divulgamos la síntesis de ultrafino, muy pegados ZIF-8 películas utilizando un enfoque de cristalización simple y versátil que puede ser reaplicado para formar una fina película pegada de varios materiales cristalinos10. Se muestran ejemplos de películas ZIF-8 y 7 ZIF preparados sin ningún pretratamiento del sustrato, que simplifica enormemente el proceso de preparación. Las ZIF-8 películas se preparan en una amplia gama de sustratos (cerámica, polímeros, metales, carbono y grafeno). La película 500 de ZIF-8 nm de espesor sobre un soporte de óxido de aluminio anódico (AAO) muestra un rendimiento atractivo de la separación. Una alta permeabilidad de2 H de 8.3 x 10-6 mol m-2 s-1 Pa-1 y selectividades ideal atractivo de 7.3 (H2/CO2) 15.5 (H2/n2), 16.2 (H2/CH4) y 2655 (H 2/c3H8) se logra.
El enfoque de cristalización que permite la mencionada hazaña es ENACT. ENACT depósitos ZIF-8 núcleos sobre un substrato directamente del sol de precursor del cristal. El enfoque utiliza EPD durante un período muy corto de tiempo (1-4 min) después del inducción (el tiempo cuando los núcleos aparecen en el sol precursor). La aplicación de un campo eléctrico a los núcleos cargados de MOF impulsa hacia un electrodo con un flujo que es proporcional a la fuerza de un aplicado campo eléctrico (E), la movilidad electroforética de coloide (μ) y la concentración de núcleos (Cn) como se muestra en las ecuaciones 1 y 2.
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/58301/58301eq1.jpg"> (Ecuación 1)
<img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/58301/58301eq2.jpg"> (Ecuación 2)
Aquí, v = la velocidad de deriva, Ζ = el potencial zeta de los núcleos, Εo = permitividad del vacío, Εr = la constante dieléctrica, y Η = viscosidad de la sol de precursor.
Por lo tanto, controlando E y el pH de la solución (que determina el ζ), se puede controlar la densidad de núcleos. El crecimiento subsecuente de los núcleos densamente poblado de la sol precursor permite a los investigadores obtener una película polycrystalline muy pegados.

<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

Divulgamos la síntesis de membranas de marco metal-orgánico (MOF) policristalino delgadas, muy pegados, sobre una amplia gama de soportes porosos y no porosos sin modificar (polímero, cerámica, metal, carbono y grafeno). Hemos desarrollado una técnica de cristalización de novela, que se denomina el enfoque ENACT: el conjunto de núcleos electroforético para la cristalización de películas delgadas muy pegadas (ENACT). Este enfoque permite una alta densidad de nucleación heterogénea de MOF en un sustrato solicitadas a través de la deposición electroforética (EPD) directamente desde el sol precursor. El crecimiento de núcleos MOF bien empaquetados conduce a una película MOF policristalinos muy pegados. Nos muestran que este enfoque simple puede utilizarse para la síntesis de zeolita fina, pegados imidazol marco (ZIF) -7 y ZIF-8 películas. Las membranas de ZIF-8 nm de espesor 500 resultantes muestran una considerablemente alta permeancia de2 H (8,3 x 10-6 mol m-2 s-1 Pa-1) y gas ideal selectividades (7.3 para H2/CO2, 15.5 para H2/n2, 16.2 para H2/CH4y 2655 H2/c3H8). También es un atractivo rendimiento de C3H6/c3H8 separación alcanzada (una C3H6 permeancia de 9.9 x 10-8 mol m-2 s-1 Pa-1 y C3H 6/c3H8 ideal selectividad de 31,6 a 25 ° C). En general, el proceso de ENACT, debido a su simplicidad, puede ampliarse para sintetizar películas delgadas pegadas de una amplia gama de materiales nanoporosos.

Un montaje casero de EPD se utilizó para sintetizar las películas MOF (figura 1). Análisis de imágenes de microscopía electrónica (SEM) y difracción de rayos x (DRX) obtuvieron los patrones para la película de núcleos de ZIF-8 (figura 2). SEM fue utilizado a la imagen de la morfología superficial y transversal de la apoyo AAO, ZIF-8/AAO membrana, ayuda de la cacerola, ZIF-8 PAN, ZIF-8/grafeno película y membrana de ZIF...

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

Electroforético cristalización de membranas ultrafinas marco Metal-orgánico de alto rendimiento

Se presenta un enfoque simple, reproducible y versátil para la síntesis de membranas de marco metal-orgánico de policristalino pegados, en una amplia gama de poroso y soportes no porosos.

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

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