Large-Area 2D Covalent Organic Framework Membranes with Tunable Single-Digit Nanopores for Predictable Mass Transport

纳米孔 渗透 材料科学 界面聚合 纳滤 溶剂 化学工程 化学物理 聚合 纳米技术 单体 分子动力学 渗透 聚合物 化学 复合材料 有机化学 计算化学 生物化学 工程类
作者
Rahul Shevate,Devin L. Shaffer
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:16 (2): 2407-2418 被引量:101
标识
DOI:10.1021/acsnano.1c08804
摘要

The potential of covalent organic frameworks (COFs) for molecular separations remains unrealized because of challenges transforming nanoscale COF materials into large-area functional COF membranes. Herein, we report the synthesis of large-area (64 cm2), ultrathin (24 nm), β-ketoenamine-linked 2D COFs using a facile interfacial polymerization technique. Angstrom-level control over single-digit nanopore size (1.4-2.0 nm) is achieved by direct integration of variable-length monomers. We apply these techniques to fabricate a series of large-area 2D COF membranes with variable thicknesses, pore sizes, and supporting materials. Tunable 2D COF properties enable control over COF membrane mass transport, resulting in high solvent fluxes and sharp molecular weight cutoffs. For organic solvent nanofiltration, the 2D COF membranes demonstrate an order-of-magnitude greater permeance than the state-of-the-art commercial polymeric membrane. We apply continuum models to quantify the dominance of pore passage resistance to mass transport over pore entrance resistance. A strong linear correlation between single-digit nanopore tortuosity and 2D COF thickness enables solvent fluxes to be predicted directly from solvent viscosity and COF membrane properties. Solvent-nanopore interactions characterized by the membrane critical interfacial tension also appear to influence mass transport. The pore flow transport model is validated by predicting the flux of a 52 nm thick COF membrane.
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