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High-Throughput Screening of COF Membranes and COF/Polymer MMMs for Helium Separation and Hydrogen Purification
ACS Applied Materials & Interfaces ( IF 8.3 ) Pub Date : 2022-04-28 , DOI: 10.1021/acsami.2c04016 Sena Aydin 1 , Cigdem Altintas 2 , Seda Keskin 2
ACS Applied Materials & Interfaces ( IF 8.3 ) Pub Date : 2022-04-28 , DOI: 10.1021/acsami.2c04016 Sena Aydin 1 , Cigdem Altintas 2 , Seda Keskin 2
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Hundreds of covalent organic frameworks (COFs) have been synthesized, and thousands of them have been computationally designed. However, it is impractical to experimentally test each material as a membrane for gas separations. In this work, we focused on the membrane-based gas separation performances of experimentally synthesized COFs and hypothetical COFs (hypoCOFs). Gas permeabilities of COFs were computed by combining the results of grand canonical Monte Carlo (GCMC) and molecular dynamics (MD) simulations, and many COF membranes were found to overcome the upper bound of polymeric membranes for He/H2, N2/CH4, H2/N2, He/CH4, H2/CH4, and He/N2 separations. We then examined the structure–permeability relations of the COF membranes that are above the upper bound for each of the six gas separations, and based on these relations, we proposed an efficient approach for the selection of the best hypoCOFs from a very large database. Molecular simulations showed that 120 hypoCOFs that we identified to be promising based on these structure–performance relations exceed the upper bound for He/CH4, He/N2, H2/CH4, and H2/N2 separations. Both real and hypothetical COFs were then studied as fillers in 25 different polymers, leading to a total of 29 020 COF/polymer and hypoCOF/polymer mixed matrix membranes (MMMs), representing the largest number of COF-based MMMs investigated to date. Permeabilities and selectivities of COF/polymer MMMs were computed for six different gas separations, and results revealed that 18 of the 25 polymers can be carried above the upper bound when COFs were used as fillers. The comprehensive analysis of COFs provided in this work will fully unlock the potential of COF membranes and COF/polymer MMMs for helium separation and hydrogen purification.
中文翻译：
用于氦分离和氢气纯化的 COF 膜和 COF/聚合物 MMM 的高通量筛选
已经合成了数百个共价有机框架 (COF)，其中数千个已经过计算设计。然而，将每种材料作为气体分离膜进行实验测试是不切实际的。在这项工作中，我们专注于实验合成的 COF 和假设的 COF (hypoCOF) 的基于膜的气体分离性能。COF的气体渗透率是通过结合大正则蒙特卡罗（GCMC）和分子动力学（MD）模拟的结果来计算的，并且发现许多COF膜克服了聚合物膜对He/H 2、N 2 /CH的上限4 , H 2 /N 2 , He/CH 4 , H 2 /CH 4, 和 He/N 2分离。然后，我们检查了六种气体分离中每一种都高于上限的 COF 膜的结构-渗透率关系，并基于这些关系，我们提出了一种从非常大的数据库中选择最佳 hypoCOF 的有效方法。分子模拟表明，基于这些结构-性能关系，我们确定有前景的 120 个hypoCOF 超过了 He/CH 4、He/N 2、H 2 /CH 4和 H 2 /N 2的上限分离。然后研究了真实和假设的 COF 作为 25 种不同聚合物中的填料，产生了总共 29020 个 COF/聚合物和hypoCOF/聚合物混合基质膜 (MMM)，代表了迄今为止研究的基于 COF 的 MMM 的最大数量。计算了六种不同气体分离的 COF/聚合物 MMM 的渗透率和选择性，结果表明，当 COF 用作填料时，25 种聚合物中的 18 种可以承载在上限之上。这项工作中提供的对 COF 的综合分析将充分释放 COF 膜和 COF/聚合物 MMM 在氦分离和氢气纯化方面的潜力。
更新日期：2022-04-28
中文翻译：
用于氦分离和氢气纯化的 COF 膜和 COF/聚合物 MMM 的高通量筛选
已经合成了数百个共价有机框架 (COF)，其中数千个已经过计算设计。然而，将每种材料作为气体分离膜进行实验测试是不切实际的。在这项工作中，我们专注于实验合成的 COF 和假设的 COF (hypoCOF) 的基于膜的气体分离性能。COF的气体渗透率是通过结合大正则蒙特卡罗（GCMC）和分子动力学（MD）模拟的结果来计算的，并且发现许多COF膜克服了聚合物膜对He/H 2、N 2 /CH的上限4 , H 2 /N 2 , He/CH 4 , H 2 /CH 4, 和 He/N 2分离。然后，我们检查了六种气体分离中每一种都高于上限的 COF 膜的结构-渗透率关系，并基于这些关系，我们提出了一种从非常大的数据库中选择最佳 hypoCOF 的有效方法。分子模拟表明，基于这些结构-性能关系，我们确定有前景的 120 个hypoCOF 超过了 He/CH 4、He/N 2、H 2 /CH 4和 H 2 /N 2的上限分离。然后研究了真实和假设的 COF 作为 25 种不同聚合物中的填料，产生了总共 29020 个 COF/聚合物和hypoCOF/聚合物混合基质膜 (MMM)，代表了迄今为止研究的基于 COF 的 MMM 的最大数量。计算了六种不同气体分离的 COF/聚合物 MMM 的渗透率和选择性，结果表明，当 COF 用作填料时，25 种聚合物中的 18 种可以承载在上限之上。这项工作中提供的对 COF 的综合分析将充分释放 COF 膜和 COF/聚合物 MMM 在氦分离和氢气纯化方面的潜力。
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