Ultrathin Two-Dimensional Membranes Assembled by Ionic Covalent Organic Nanosheets with Reduced Apertures for Gas Separation

渗透 气体分离 化学 多孔性 渗透 化学工程 离子键合 聚合物 堆积 化学稳定性 共价键 纳米技术 材料科学 有机化学 工程类 离子 生物化学
作者
Yunpan Ying,Minman Tong,Shoucong Ning,Sai Kishore Ravi,Shing Bo Peh,Swee Ching Tan,Stephen J. Pennycook,Dan Zhao
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:142 (9): 4472-4480 被引量:463
标识
DOI:10.1021/jacs.9b13825
摘要

Covalent organic frameworks (COFs) are a promising category of porous materials possessing extensive chemical tunability, high porosity, ordered arrangements at a molecular level, and considerable chemical stability. Despite these advantages, the application of COFs as membrane materials for gas separation is limited by their relatively large pore apertures (typically >0.5 nm), which exceed the sieving requirements for most gases whose kinetic diameters are less than 0.4 nm. Herein, we report the fabrication of ultrathin two-dimensional (2D) membranes through layer-by-layer (LbL) assembly of two kinds of ionic covalent organic nanosheets (iCONs) with different pore sizes and opposite charges. Because of the staggered packing of iCONs with strong electrostatic interactions, the resultant membranes exhibit features of reduced aperture size, optimized stacking pattern, and compact dense structure without sacrificing thickness control, which are suitable for molecular sieving gas separation. One of the hybrid membranes, TpEBr@TpPa-SO3Na with a thickness of 41 nm, shows a H2 permeance of 2566 gas permeation units (GPUs) and a H2/CO2 separation factor of 22.6 at 423 K, surpassing the recent Robeson upper bound along with long-term hydrothermal stability. This strategy provides not only a high-performance H2 separation membrane candidate but also an inspiration for pore engineering of COF or 2D porous polymer membranes.
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