天津大学《德国应化》:远超Robeson上限!MOF玻璃气体分离膜

天津大学《德国应化》:远超Robeson上限!MOF玻璃气体分离膜

背景与传统的分离工艺相比,膜分离技术具有较低的能耗和环境友好性,因此在纯化和分离方面起着至关重要的作用。近年来,金属有机框架材料(MOF)由于其独特的结构和多功能性逐渐成为膜材料研究的热点。而MOF膜的多晶性质对其制造和应用提出了严峻的挑战,科学家们致力于减少MOF膜的晶界缺陷和裂纹,尽管得到改善,但晶界的问题仍未解决。MOF玻璃作为新型MOF材料具有易于加工、结构可调、成分多样性等独特优势,引起了广泛地关注,MOF玻璃材料极有可能推动没有晶界结构的高性能膜的出现。但是,到目前为止还没有关于MOF玻璃基膜的报道。亮点近期,天津大学姜忠义教授首次报道了一种ZIF-62 MOF玻璃膜,并探索了其固有的气体分离特性。研究人员通过在多孔陶瓷氧化铝载体上合成的多晶ZIF-62 MOF膜进行熔融淬火处理来制造MOF玻璃膜。熔融的ZIF-62相渗透到载体的纳米孔中,并消除了所得玻璃膜中的晶间缺陷,使得MOF膜的分子筛分能力显着增强。这种MOF玻璃膜将会推动各种具有高分离性能的分子筛膜的发展。
MOF玻璃膜的合成及表征研究人员首先将氧化铝载体放置在充满合成溶液的四氟内衬反应釜中,并将其置于100°C的烘箱中加热48小时;然后将制备的ZIF-62膜进行熔融淬火处理,即在管式炉中加热使固体完全熔融,随后冷却使ZIF-62变为玻璃态,即可得到ZIF-62玻璃膜。从图1可以看出熔融淬火的ZIF-62玻璃膜显示出明显的形态变化,ZIF-62的晶体形状消失;XRD图谱中除了底物外几乎没有峰,表明ZIF-62晶体成功转化为玻璃态;图1e显示玻璃态大量渗入载体,这是由于毛细作用力使得MOF熔体很容易填充。
图1. ZIF-62 MOF玻璃膜表征气体分离性能研究人员使用Wicke-Kallenbach技术对玻璃膜的单组分气体渗透和双组分混合气体分离性能进行表征。图2显示了单一气体渗透率与分子动力学直径的关系,可以看出玻璃膜的平均孔径在CO2和N2之间,而且在25℃下,H2/N2、H2/CH4、CO2/N2和CO2/CH4气体对的理想选择性分别达到了53、59、23和26,远高于相应的克努森数(3.7、2.8、0.8和0.6)。表明研究人员所制备的玻璃膜具有出色的气体分离性能。
图2. 气体渗透率与分子动力学直径的关系随后,研究人员使用二元气体混合物(H2/CH4,CO2/N2,CO2/CH4)进一步测试MOF玻璃膜。结果如图3所示,等摩尔H2/CH4混合物的选择性为50.7,显示出与理想气体选择性一致的结果,并随着压力的升高,CH4的渗透率基本保持不变。该MOF玻璃膜的出色性能不仅远远超过了Robeson上限曲线,而且超过了迄今为止报道的大多数纯多晶MOF膜。
图3. 分离性能表征稳定性能测试研究人员通过CO2/N2分离进行了稳定性研究。如图4所示,在48小时的测试过程中,分离性能基本保持不变。随后以蒸汽为进料气探究其水稳定性,可以看出CO2/N2的选择性几乎恒定,24h后水蒸气几乎填满了玻璃膜的微孔,导致极低的渗透率,然后将膜在180℃下活化2h,随即性能恢复到原始值。表明该ZIF-62 MOF玻璃膜具有优异的水稳定性。
图4. 稳定性表征多功能性研究人员为了证明该制造方法的多功能性,在无孔玻璃板上制备了ZIF-62玻璃膜。如图5所示,由于MOF玻璃和玻璃板都是疏水性质,因此熔融的MOF液体能够更好地散布在玻璃板上并形成了强粘附力的致密膜。表面该方法具有在载体上大规模制备MOF玻璃膜的潜力。
图5. 直径5cm载体上的ZIF-62玻璃膜在本篇文章中,研究人员通过熔融淬火过程将多晶膜转变为各向同性且无晶界的MOF玻璃膜并成功将其用于气体分离,不仅显示出高分离性能还表现出了优异的长期稳定性,具有极高的实际应用性。我们相信,研究人员所介绍的这种MOF玻璃膜将极大地推动各种具有高分离性能的分子筛膜的发展,而且有望通过大规模应用来制造这种膜!原文链接:onlinelibrary.wiley.com

来源:高分子科学前沿

声明:仅代表作者个人观点,作者水平有限,如有不科学之处,请在下方留言指正!

---纳米纤维素找北方世纪---

---3D打印展来袭!扫码预登记---


声明:凡本平台注明“来源:XXX”的文/图等稿件,本平台转载出于传递更多信息及方便产业探讨之目的,并不意味着本平台赞同其观点或证实其内容的真实性,文章内容仅供参考。如有侵权,请联系我们删除。

我们的微博:高分子科学前沿欢迎和我们互动

添加主编为好友(微信号:polymer-xiang,请备注:名字-单位-职称-研究方向),邀请您加入学术圈、企业界、硕博联盟、北美、欧洲、塑料、橡塑弹性体、纤维、涂层黏合剂、油墨、凝胶、生物医用高分子、高分子合成、膜材料、石墨烯、纳米材料、表征技术、车用高分子、发泡、聚酰亚胺等一系列技术交流群。同时可以在菜单中回复交流群”,获取群目录。

添加 小编 微信(务必备注:名字-单位-职称-研究方向)

邀请您入讨论群

( 微信二维码 扫码添加)


我们的QQ交流群:451749996(务必备注:名字-单位-研究方向)

投稿 荐稿 合作:editor@polysci.cn

发布于 01-05