Tuning the Morphology and Activity of Electrospun Polystyrene/UiO-66-NH2 Metal–Organic Framework Composites to Enhance Chemical Warfare Agent Removal

材料科学 静电纺丝 聚苯乙烯 金属有机骨架 复合数 纤维 咪唑酯 复合材料 聚合物 化学工程 纳米纤维 沸石咪唑盐骨架 合成纤维 吸附 有机化学 化学 工程类
作者
Gregory W. Peterson,Annie Xi Lu,Thomas H. Epps
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:9 (37): 32248-32254 被引量:101
标识
DOI:10.1021/acsami.7b09209
摘要

This work investigates the processing-structure-activity relationships that ultimately facilitate the enhanced performance of UiO-66-NH2 metal-organic frameworks (MOFs) in electrospun polystyrene (PS) fibers for chemical warfare agent detoxification. Key electrospinning processing parameters including solvent type (dimethylformamide [DMF]) vs DMF/tetrahydrofuran [THF]), PS weight fraction in solution, and MOF weight fraction relative to PS were varied to optimize MOF incorporation into the fibers and ultimately improve composite performance. It was found that composites spun from pure DMF generally resulted in MOF crystal deposition on the surface of the fibers, while composites spun from DMF/THF typically led to MOF crystal deposition within the fibers. For cases in which the MOF was incorporated on the periphery of the fibers, the composites generally demonstrated better gas uptake (e.g., nitrogen, chlorine) because of enhanced access to the MOF pores. Additionally, increasing both the polymer and MOF weight percentages in the electrospun solutions resulted in larger diameter fibers, with polymer concentration having a more pronounced effect on fiber size; however, these larger fibers were generally less efficient at gas separations. Overall, exploring the electrospinning parameter space resulted in composites that outperformed previously reported materials for the detoxification of the chemical warfare agent, soman. The data and strategies herein thus provide guiding principles applicable to the design of future systems for protection and separations as well as a wide range of environmental remediation applications.
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