Low-Loading Mixed Matrix Materials: Fractal-Like Structure and Peculiarly Enhanced Gas Permeability

材料科学 分形 磁导率 基质(化学分析) 复合材料 化学工程 数学 遗传学 生物 工程类 数学分析
作者
Taliehsadat Alebrahim,Liang Huang,Heshali K. Welgama,Narjes Esmaeili,Erda Deng,Shiwang Cheng,Durga P. Acharya,Cara M. Doherty,Anita J. Hill,Clayton Rumsey,Martin Trebbin,Timothy R. Cook,Haiqing Lin
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (8): 11116-11124 被引量:6
标识
DOI:10.1021/acsami.3c19631
摘要

Mixed matrix materials (MMMs) containing metal–organic framework (MOF) nanoparticles are attractive for membrane carbon capture. Particularly, adding <5 mass % MOFs in polymers dramatically increased gas permeability, far surpassing the Maxwell model's prediction. However, no sound mechanisms have been offered to explain this unusual low-loading phenomenon. Herein, we design an ideal series of MMMs containing polyethers (one of the leading polymers for CO2/N2 separation) and discrete metal–organic polyhedra (MOPs) with cage sizes of 2–5 nm. Adding 3 mass % MOP-3 in a polyether increases the CO2 permeability by 100% from 510 to 1000 Barrer at 35 °C because of the increased gas diffusivity. No discernible changes in typical physical properties governing gas transport properties are detected, such as glass transition temperature, fractional free volume, d-spacing, etc. We hypothesize that this behavior is attributed to fractal-like networks formed by highly porous MOPs, and for the first time, we validate this hypothesis using small-angle X-ray scattering analysis.

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