Defect-Free MOF-Based Mixed-Matrix Membranes Obtained by Corona Cross-Linking

材料科学 聚合物 共价键 渗透 化学工程 气体分离 高分子化学 共价有机骨架 粒子(生态学) 多孔性 复合材料 有机化学 化学 工程类 地质学 海洋学 生物化学
作者
Yuji Katayama,Kyle C. Bentz,Seth M. Cohen
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:11 (13): 13029-13037 被引量:124
标识
DOI:10.1021/acsami.9b02539
摘要

Functionalized UiO-66 metal-organic frameworks (MOF) particles were covalently grafted with hydride-terminated poly(dimethylsiloxane) (PDMS) via postsynthetic modification. These PDMS-coated MOF particles (termed here "corona-MOF") were used in the preparation of mixed-matrix membranes (MMMs). Defect-free MMMs with weight loadings of 50% were achieved with corona-MOF particles, attributed to the improved dispersibility of the corona-MOF particles and covalent linkages between the corona-MOF particles and the polymer matrix. The PDMS MMMs showed distinct separation features in single gas permeation tests, displaying much higher CO2 gas permeation with no decrease in selectivity when compared to MMMs prepared with unmodified UiO-66 particles. Single gas separation tests with CO2, N2, and propane were performed to probe the separation mechanism of the corona-MOF MMMs, demonstrating that these MMMs avoid nonideal "sieve-in-a-cage" and "plugged sieves" scenarios. Additionally, due to covalent bond formation between both the MOF and the polymer matrix in corona-MOF MMMs, particle aggregation is negligible during film curing, allowing for the formation of flexible, self-standing MMMs of <1 μm in thickness. Low quantities of polymer covalently attached to the MOF surface (<5 wt %) are sufficient to fabricate thin, defect-free, high MOF-loading MMMs.
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