Сборка ковалентных органических каркасных мембран посредством переключения фаз для сверхбыстрого молекулярного транспорта

Nature Communications, том 13, номер статьи: 3169 (2022) Цитировать эту статью

10 тысяч доступов

9 цитат

18 Альтметрика

Подробности о метриках

Изготовление мембран с ковалентным органическим каркасом (COF) для молекулярного транспорта вызвало весьма прагматический интерес как низкоэнергетический и экономически эффективный способ разделения молекул. Однако в настоящее время большинство мембран COF собираются с помощью одностадийной процедуры в жидкой фазе (фазах) путем одновременной полимеризации и кристаллизации, которые часто сопровождаются рыхлой упаковкой и менее упорядоченной структурой. Здесь мы предлагаем двухэтапную процедуру с использованием стратегии переключения фаз, которая разделяет процесс полимеризации и процесс кристаллизации для сборки компактных и высококристаллических COF-мембран. На этапе предварительной сборки смешанный раствор мономеров заливается в чистую мембрану в жидкой фазе одновременно с завершением процесса полимеризации. На этапе сборки нетронутая мембрана превращается в COF-мембрану в паровой фазе растворителя и катализатора по мере завершения процесса кристаллизации. Благодаря компактной и высококристаллической структуре полученные COF-мембраны обладают беспрецедентной проницаемостью (вода ≈ 403 л м-2 бар-1 ч-1 и ацетонитрил ≈ 519 л м-2 бар-1 ч-1). Наша двухэтапная процедура с использованием стратегии переключения фаз может открыть новые возможности для производства современных органических кристаллических микропористых мембран.

Мембранная технология была задумана как революционная и необходимая технология, которая заменит нынешние энергоемкие приложения разделения1,2,3,4,5. Исследование новых материалов и стратегий производства компактных, высокоупорядоченных микропористых мембран является постоянным занятием6,7,8,9,10. Ковалентные органические каркасы (COF) представляют собой класс кристаллических полимеров с настраиваемыми и постоянными порами, атомно-упорядоченной пористой структурой и высокой пористостью, построенными за счет ковалентной связи органических строительных блоков (или мономеров) на основе ретикулярной химии11,12,13,14. . Разнообразие органических строительных блоков наделяет COF исключительными структурными возможностями проектирования, позволяя настраивать размер пор и функциональность на молекулярном уровне15,16,17,18. Например, выбирая подходящие мономеры, порами COF можно манипулировать для разделения молекул в зависимости от размера, формы или заряда19,20,21. Аналогичным образом, COF с желаемыми свойствами можно адаптировать путем модификации или трансформации связей, воспользовавшись их обратимой природой22,23,24,25,26,27. Эти особенности делают COF мощными материалами для изготовления современных мембран для селективного молекулярного транспорта28.

COF в основном изготавливаются с помощью одноэтапной процедуры в жидкой фазе (фазах) с помощью сильно связанных процессов полимеризации и кристаллизации29. Большинство известных COF-мембран собираются с использованием этой одноэтапной процедуры, преимущественно в жидкой фазе с использованием межфазных (двухфазная система масло-вода) или сольвотермических методов in-situ (монофазная система)30. В жидкостях контролировать одновременную полимеризацию и кристаллизацию во время формирования мембраны довольно сложно; в первую очередь из-за высокого поверхностного натяжения (2 × 10–2–5 × 10–2 Н·м–1)) и вязкости (0,3–4 сП) жидкостей, что крайне затрудняет удаление побочного продукта из места реакции31, 32. Следовательно, концентрация реагирующих мономеров вблизи мест полимеризации низкая, тогда как концентрация побочных продуктов выше, что приводит к затруднению обратимости реакции20,33,34. Более того, беспорядочное движение мономеров/наночастиц в жидкой фазе также приводит к образованию рыхлых и низкокристаллических мембран22. Недавно мы сообщили, что устранение жидкостей во время сборки COF-мембран, например, на границе твердого тела и пара, может изготовить компактные и высококристаллические мембраны33. Однако зависимость от температуры плавления мономера паровой фазы резко ограничивает широкую применимость. Мы предполагали изучить двухэтапную процедуру вместо одноэтапной, чтобы отделить процесс реакции полимеризации и процесс сборки кристаллизации от направленной эволюции структуры мембраны в надежде добиться некоторых прорывов в области современных COF-мембранных материалов.