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Modeling of Gas Transport through Polymer/MOF Interfaces: A Microsecond-Scale Concentration Gradient-Driven Molecular Dynamics Study

聚合物 微秒 化学物理 分子动力学 气体分离 材料科学 化学工程 膜蒸馏 金属有机骨架 纳米技术 化学 海水淡化 吸附 有机化学 计算化学 复合材料 物理 工程类 生物化学 天文
作者
Aydin Ozcan,Rocío Semino,Guillaume Maurin,A. Özgür Yazaydın
出处
期刊:Chemistry of Materials [American Chemical Society]
卷期号:32 (3): 1288-1296 被引量:73
标识
DOI:10.1021/acs.chemmater.9b04907
摘要

Membrane-based separation technologies offer a cost-effective alternative to many energy-intensive gas separation processes, such as distillation. Mixed matrix membranes (MMMs) composed of polymers and metal–organic frameworks (MOFs) have attracted a great deal of attention for being promising systems to manufacture durable and highly selective membranes with high gas fluxes and high selectivities. Therefore, understanding gas transport through these MMMs is of significant importance. There has been longstanding speculation that the gas diffusion behavior at the interface formed between the polymer matrix and MOF particles would strongly affect the global performance of the MMMs due to the potential presence of nonselective voids or other defects. To shed more light on this paradigm, we have performed microsecond long concentration gradient-driven molecular dynamics (CGD-MD) simulations that deliver an unprecedented microscopic picture of the transport of H2 and CH4 as single components and as a mixture in all regions of the PIM-1/ZIF-8 membrane, including the polymer/MOF interface. The fluxes of the permeating gases are computed and the impact of the polymer/MOF interface on the H2/CH4 permselectivity of the composite membrane is clearly revealed. Specifically, we show that the poor compatibility between PIM-1 and ZIF-8, which manifests itself by the presence of nonselective void spaces at their interface, results in a decrease of the H2/CH4 permselectivity for the corresponding composite membrane as compared to the performances simulated for PIM-1 and ZIF-8 individually. We demonstrate that CGD-MD simulations based on an accurate atomistic description of the polymer/MOF composite is a powerful tool for characterization and understanding of gas transport and separation mechanisms in MMMs.

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