Large-Scale Metal–Organic Framework Nanoparticle Monolayers with Controlled Orientation for Selective Transport of Rare-Earth Elements

化学 单层 选择性 纳米颗粒 吸附 传质 化学工程 溶剂 纳米技术 分子动力学 金属有机骨架 多孔性 金属 化学物理 色谱法 有机化学 计算化学 材料科学 催化作用 生物化学 工程类
作者
Ming Qiu,Zhongpeng Zhu,Dianyu Wang,Zhe Xu,Weining Miao,Lei Jiang,Ye Tian
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (22): 12275-12283 被引量:14
标识
DOI:10.1021/jacs.3c02716
摘要

Long-range ordered membranes comprised of porous nanoparticles have been pursued in precise separations for a long time. Yet most of the fabrication methods suffer from limited substrates or lack of precise control over crystal orientation. Herein, large-scale metal-organic framework (MOF) monolayer membranes with controlled orientations are prepared through an interfacial self-assembly process confined by superlyophilic substrates. The superspreading of reactant microdroplets results in an ultrathin liquid layer under an immiscible oil as a confined reactor. The concomitant MOF (ZIF-8) particles spontaneously assemble into monolayers with controlled orientations, determined by the particles' contact angles at the liquid/liquid interface, which can be regulated by solvent compositions. Therein both gas-adsorption and ion-transport tests prove that the ⟨111⟩-oriented membrane exhibits a minimized mass-transfer resistance. The as-prepared membrane can selectively transport rare-earth elements (REEs), and a La3+/K+ selectivity of 14.3 is achieved. Molecular dynamics simulations reveal that the REEs-selectivity is associated with the distinct difference in ion-membrane binding energies, demonstrating the potential of ZIF-8 membranes for use in high-efficiency recovery of REEs from industrial wastes.
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