In Situ Derived Hybrid Carbon Molecular Sieve Membranes with Tailored Ultramicroporosity for Efficient Gas Separation

材料科学 气体分离 聚合物 化学工程 分子筛 热解 纳米复合材料 纳米孔 碳纤维 复合材料 高分子化学 纳米技术 复合数 吸附 有机化学 化学 工程类 生物化学
作者
Tae Hoon Lee,Farhad Moghadam,Jae Gu Jung,Yu Jin Kim,Ji Soo Roh,Seung Yeon Yoo,Byung Kwan Lee,Jin Hee Kim,Ingo Pinnau,Ho Bum Park
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:17 (47) 被引量:37
标识
DOI:10.1002/smll.202104698
摘要

Abstract Fine control of ultramicroporosity (<7 Å) in carbon molecular sieve (CMS) membranes is highly desirable for challenging gas separation processes. Here, a versatile approach is proposed to fabricate hybrid CMS (HCMS) membranes with unique textural properties as well as tunable ultramicroporosity. The HCMS membranes are formed by pyrolysis of a polymer nanocomposite precursor containing metal‐organic frameworks (MOFs) as a carbonizable nanoporous filler. The MOF‐derived carbonaceous phase displays good compatibility with the polymer‐derived carbon matrix due to the homogeneity of the two carbon phases, substantially enhancing the mechanical robustness of the resultant HCMS membranes. Detailed structural analyses reveal that the in situ pyrolysis of embedded MOFs induces more densified and interconnected carbon structures in HCMS membranes compared to those in conventional CMS membranes, leading to bimodal and narrow pore size distributions in the ultramicroporous region. Eventually, the HCMS membranes exhibit far superior gas separation performances with a strong size‐sieving ability than the conventional polymers and CMS membranes, especially for closely sized gas pairs (Δ d < 0.5 Å) including CO 2 /CH 4 and C 3 H 6 /C 3 H 8 separations. More importantly, the developed HCMS material is successfully prepared into a thin‐film composite (TFC) membrane (≈1 µm), demonstrating its practical feasibility for use in industrial mixed‐gas operation conditions.
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