Constructing Strong Interfacial Interactions under Mild Conditions in MOF-Incorporated Mixed Matrix Membranes for Gas Separation

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作者
Zhenggong Wang,Yunfeng Tian,Wangxi Fang,Binod Babu Shrestha,Menghui Huang,Jian Jin
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:13 (2): 3166-3174 被引量:53
标识
DOI:10.1021/acsami.0c19554
摘要

Although mixed matrix membranes (MMM) possess remarkably improved gas separation performance compared to traditional polymeric membranes, membrane stability including CO2 plasticization and aging is still a serious issue due to the existence of interfacial defects. In this work, we report an efficient and less destructive route to cross-link the MOFs/polyimide (PI) MMM, where amine group-functionalized MOF (NH2-UiO-66) nanoparticles are thermally cross-linked with a carboxylic acid-functionalized PI (COOH-PI) matrix to form an amide bond at the interface at 150 °C under vacuum condition. Such a chemical cross-linking strategy conducted at a relatively mild condition improves membrane stability greatly while ensuring that the membrane structure is not destroyed. The resulting cross-linked MMM achieves enhanced mechanical strength with higher Young's modulus than a pristine polymer membrane. The CO2 antiplasticization pressure of the MMM after cross-linking is enhanced by 200% from ∼10 to >30 bar and the CO2 permeability of MMM only drops slightly from 995 to 735 Barrer after 450 days. At the same time, the separation performance of H2/CH4 gas pair surpasses the 2008 upper bound and that of CO2/CH4 gas pair nearly approaches the 2008 upper bound. The cross-linking strategy used herein provides a feasible and effective route for improving membrane stability and membrane performance in the MMM system for gas separation.
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