【AlFFIVE-1-Ni气体分离】调整混合基质膜中MOF/聚合物界面孔几何形状以提高CO2分离性能

首页 > 行业动态 > 【AlFFIVE-1-Ni气体分离】调整混合基质膜中MOF/聚合物界面孔几何形状以提高CO2分离性能

摘要：
1. King Abdullah University of Science and Technology (KAUST)的Mohamed Eddaoudi和University of Montpellier的Guillaume Maurin等报道的本篇文章（Sci. Adv. 2024, 10, eadk5846）中探讨了在混合基质膜（MMMOF）中，金属-有机框架（MOF）与聚合物界面孔形状纳米结构对分子传输的优化作用。
2. 研究发现，通过与聚合物PIM-1结合，AlFFIVE-1-Ni这种超小孔MOF可以设计出具有从MOF入口到MOF/聚合物界面区域逐渐扩大孔的复合材料。通过浓度梯度驱动的分子动力学模拟，研究预测这种孔纳米结构能够为气体分子在MOF/聚合物界面提供最优的引导路径，从而加速整个MMMOF膜中的分子传输。
3. 实验结果表明，所制备的[001]取向的AlFFIVE-1-Ni/PIM-1 MMMOF膜在二氧化碳渗透性方面表现出色，并且与高二氧化碳/甲烷选择性理想结合，使其成为天然气/生物气净化的有前景材料。

研究背景：
1. 能源工业中，用于分离和纯化关键物质（如工业气体、精细化学品和淡水）的分离技术是当今社会面临的重大挑战。
2. 膜技术作为替代能源密集型分离过程（如蒸馏等）的突出选择，但其性能受到聚合物膜的渗透性和选择性权衡（即Robeson上限）的限制。
3. 作者提出了一种新的设计策略，通过在MOF和聚合物之间创建具有逐渐扩大孔的界面，以优化分子传输路径，从而克服了现有MMMOF膜在气体渗透性方面的不足。

实验部分：
1. MOF/聚合物复合材料的计算构建
   - 利用量子和力场分子动力学（E-MD）模拟，构建了AlFFIVE-1-Ni/PIM-1复合材料的原子模型。
   - 通过模拟，预测了MOF/聚合物界面孔的纳米结构，并通过计算孔尺寸分布（PSD）来分析界面的孔隙特性。
2. MOF/聚合物界面的孔结构分析
   - 使用E-MD模拟，分析了PIM-1和AlFFIVE-1-Ni之间的界面相互作用，以及界面孔的纳米结构。
   - 通过模拟结果，预测了AlFFIVE-1-Ni/PIM-1具有从MOF入口到MOF/聚合物界面区域逐渐扩大的孔结构。
3. 气体渗透性测试
   - 制备了[001]取向的AlFFIVE-1-Ni/PIM-1 MMMOF膜，并进行了二氧化碳和甲烷的渗透性测试。
   - 测试结果表明，AlFFIVE-1-Ni/PIM-1 MMMOF膜相较于纯PIM-1膜，在二氧化碳渗透性方面提高了2342 barrer。
4. 膜的表征
   - 使用SEM和FIB-SEM观察了MOF纳米片在PIM-1基质中的分布和取向。
   - 通过XRD分析，证实了MOF纳米片在膜中的[001]取向排列。
5. MOF纳米片的合成
   - 采用溶剂热法合成了AlFFIVE-1-Ni纳米片，并通过离心、洗涤和干燥得到所需的纳米片。
6. PIM-1聚合物的合成
   - 通过5,5',6,6'-四羟基-3,3,3',3'-四甲基-1,1'-螺双茚和四氟对苯二甲腈在K2CO3存在下进行缩合反应合成了PIM-1聚合物。
7. [001]-取向AlFFIVE-1-Ni/PIM-1膜的制备
   - 采用缓慢蒸发诱导的平面内排列技术，将AlFFIVE-1-Ni纳米片分散在PIM-1聚合物基质中，制备了具有不同纳米片负载的膜。

分析测试：
1. 孔尺寸分布（PSD）计算
   - 对AlFFIVE-1-Ni/PIM-1和AlFFIVE-1-Ni/6FDA-DAM两种复合材料的孔尺寸分布进行了计算，结果显示AlFFIVE-1-Ni/PIM-1具有更不规则的孔结构。
2. 气体渗透性模拟
   - 通过CGD-MD模拟，预测了AlFFIVE-1-Ni/PIM-1 MMMOF膜在不同条件下的二氧化碳传输速率，模拟结果显示，该膜在二氧化碳渗透性方面具有显著优势。
3. SEM和FIB-SEM成像
   - SEM图像显示了MOF纳米片在PIM-1基质中的均匀分布和垂直取向。
   - FIB-SEM分析进一步证实了纳米片在膜中的均匀排列。
4. XRD分析
   - XRD图案显示了AlFFIVE-1-Ni的(002)和(004)晶面衍射峰，证实了MOF纳米片在膜中的[001]取向排列。
5. 气体渗透性测试
   - 对AlFFIVE-1-Ni/PIM-1 MMMOF膜进行了纯气体和混合气体（CO2/CH4: 50/50）的渗透性测试。
   - 测试结果表明，该膜在二氧化碳渗透性方面比纯PIM-1膜提高了2342 barrer，并且在CO2/CH4选择性方面也有所提高。
6. MOF纳米片和膜的表征
   - 通过SEM和FIB-SEM成像技术，观察了MOF纳米片的形态和在膜中的排列情况。
   - 通过XRD分析，确定了MOF纳米片的晶体结构和在膜中的取向。

总结：
本文通过计算和实验相结合的方法，成功设计并制备了具有优异二氧化碳渗透性和选择性的AlFFIVE-1-Ni/PIM-1 MMMOF膜。研究揭示了MOF/聚合物界面孔形状纳米结构对分子传输路径的重要性，并为未来高性能MMMOF膜的开发提供了新的设计规则。

展望：
本研究为二氧化碳捕获和天然气/生物气净化领域带来了积极的影响。未来的工作可以在以下几个方面进行：
1. 长期稳定性测试：评估MMMOF膜在实际应用中的长期稳定性和耐用性。
2. 规模化生产研究：探索MMMOF膜的规模化生产方法，以降低成本并满足工业需求。
3. 不同气体混合物的分离性能研究：测试MMMOF膜对其他气体混合物的分离性能，以评估其广泛的应用潜力。
4. 界面孔结构的进一步优化：通过调整MOF和聚合物的化学结构，进一步优化界面孔的形状和尺寸，以提高膜的性能。

Tuning MOF/polymer interfacial pore geometry in mixed matrix membrane for upgrading CO2 separation performance
文章作者：Aydin Ozcan1,2†, Dong Fan1,3†, Shuvo Jit Datta4,5†, Alejandro Diaz-Marquez1,
Rocio Semino1,6,Youdong Cheng4,5, Biplab Joarder4,5, Mohamed Eddaoudi4,5*, Guillaume Maurin1*
DOI: 10.1126/sciadv.adk584
文章链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adk5846

本文为科研用户原创分享上传用于学术宣传交流，具体内容请查阅上述论文，如有错误、侵权等请联系修改、删除。未经允许第三方不得复制转载。