Mixed matrix membranes incorporating two-dimensional ZIF-8 nanosheets for enhanced CO2/N2 separation

渗透 材料科学 纳米片 选择性 化学工程 巴勒 纳米复合材料 色散(光学) 多孔性 气体分离 复合材料 渗透 纳米技术 化学 有机化学 生物化学 物理 光学 工程类 催化作用
作者
Sung Kuk Jeong,Jeong Yun Jeong,Semin Lim,Woo‐Sik Kim,Hyuk Taek Kwon,Jinsoo Kim
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:481: 148294-148294 被引量:15
标识
DOI:10.1016/j.cej.2023.148294
摘要

In this report, a few unit-cell thick ZIF-8 nanosheets with (002) basal planes exposed with 4-membered windows were synthesized by using sodium dodecyl sulfate, an anionic surfactant as a structure directing agent, which were used as fillers to fabricate mixed matrix membranes (MMMs) for CO2/N2 separation. The 2D ZIF-8 fillers contributed to not only decreasing transport resistance due to highly porous nature but also strengthening CO2/N2 diffusive separation of the MMMs due to keen molecular sieving through 4-membered windows, smaller than conventional 6-membered windows of ZIF-8. Aligned filler dispersion in out-of-plane direction was maintained up to 10 wt% filler loading and the MMM with 10 wt% filler loading showed optimal performance of CO2 permeability of ∼350 Barrer and CO2/N2 selectivity of ∼94, outperforming most of the reported 2D nanosheet-based MMMs in addition to exceeding the 2019 upper bound. To check commercial viability, thin film nanocomposite (TFN) membranes composed of a skin layer of ∼780 nm including 10 wt% filler loading were prepared. The TFN membranes exhibited CO2 permeance of ∼710 GPU and CO2/N2 selectivity of ∼77, which surpasses most of state-of-the-art polymeric thin film composite (TFC) and TFN membranes especially in terms of selectivity.
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