Nuldimensionale moleculaire zeefmembranen om de selectiviteit van gasscheiding te verbeteren

Klassieke moleculaire zeefmembranen, met 3D microdeeltjes en 2D nanosheets als primaire bouwstenen, zijn veelbelovend in chemische scheiding.

Scheiding binnen dergelijke membranen is afhankelijk van moleculaire beweging en transport door hun intrinsieke of kunstmatige nanoporiën. Aangezien de zwakke verbindingen van nature tussen de aangrenzende “stenen” meestal resulteren in interkristallijne gaten in membranen, is de heersende selectiviteit voor klassieke moleculaire zeefmembranen matig.

Onlangs heeft een onderzoeksgroep onder leiding van Prof. Yang Weishen en Dr. Ban Yujie van het Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) van de Chinese Academie van Wetenschappen (CAS) nuldimensionale moleculaire zeefmembranen voorgesteld die de scheidingsselectiviteit van waterstof zouden kunnen verbeteren (H₂) en kooldioxide (CO₂).

De studie is gepubliceerd in Internationale editie van Angewandte Chemie op 16 juli.

“Nuldimensionale moleculen, als primaire bouwstenen in het voorgestelde membraan, hebben het potentieel om interkristallijne gaten in membranen absoluut te elimineren”, zei Dr. Ban.

De onderzoekers hebben het nuldimensionale moleculaire zeefmembraan gefabriceerd door nuldimensionale 2-methylimidazol (mim) moleculen te assembleren tot ongekende supramolecuul array-membranen (SAM’s) door middel van oplosmiddelvrije dampverwerking op een metaal-organisch raamwerk.

In SAM’s resulteerden de “nuldimensionale bouwstenen” samen met supramolecuul-interacties in de afwezigheid van de interkristallijne gaten, wat een effectieve massaoverdracht door intermoleculaire tussenruimten garandeerde in plaats van een ongewenste lekkage door niet-selectieve gaten.

In tegenstelling tot het klassieke transport door nanoporiën van membranen, werd selectief transport door de intermoleculaire tussenruimte van mim (~0,30 nm) gerealiseerd binnen SAM’s, wat een uiterst nauwkeurige zeving van H2 opleverde.₂ van CO₂. De H₂/CO₂ selectiviteit was een orde van grootte hoger dan selectiviteiten van de state-of-the-art klassieke membranen.

“Onze studie opent de deur om een ​​verscheidenheid aan SAM’s te creëren om de subtiele verschillen in grootte / vorm van een paar gasmoleculen te onderscheiden”, zei prof. Yang. “In de toekomst zullen we de intermoleculaire afstand aanpassen, het assemblageproces beheersen en een breed scala aan toepassingen van SAM’s mogelijk maken voor energie-efficiënte chemische scheidingsprocessen.”