Covalent and Selective Grafting of Polyethylene Glycol Brushes at the Surface of ZIF-8 for the Processing of Membranes for Pervaporation

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作者
Marvin Benzaqui,Rocío Semino,Florent Carn,Sérgio R. Tavares,Nicolas Menguy,Mónica Giménez‐Marqués,Elena Bellido,Patricia Horcajada,Thomas Berthelot,Anna Kuzminova,Mariia Dmitrenko,Anastasia Penkova,Denis Roizard,Christian Serre,Guillaume Maurin,Nathalie Steunou
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:7 (7): 6629-6639 被引量:69
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.8b05587
摘要

The so-called Graftfast reaction in water and at room temperature (RT) was applied to graft polyethylene glycol (PEG) at the surface of the microporous zeolitic imidazolate framework ZIF-8 nanoparticles (NPs) using acrylPEG of different chain lengths (480 Da and 5 kDa). In comparison to nonmodified ZIF-8 NPs, both chemical and colloidal stabilities of PEGylated ZIF-8 NPs are significantly enhanced in water. A series of colloidal complex fluids by mixing PEG grafted ZIF-8 (i.e., PEG-g-ZIF-8) NPs with different amounts of poly(vinyl alcohol) (PVA) was prepared and characterized by advanced characterization tools such as dynamic light scattering (DLS) and small-angle X-ray scattering (SAXS) thereby showing their long-term colloidal stability. Finally, dense and supported mixed matrix membranes were cast from PEG-g-ZIF-8/PVA solutions and have shown high performance in isopropanol (IPA) dehydration by pervaporation. The permeation flux of the supported MMM (i.e., 0.091 kg/(m2·h)) is 11 times higher than that of the pure PVA membrane and these MMMs present a high separation factor (i.e., 7326). These transport properties are presumably due to the molecular sieving effects induced by ZIF-8 and the good interfacial properties of the membrane. The computational exploration of the ZIF-8/PVA and PEG/PVA interfaces provides a microscopic scale explanation for the enhanced compatibility of PVA with the PEGylated MOF when compared to that for the composite based on the bare ZIF-8 as a filler.
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