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High-Performance Mixed-Matrix Membranes Using a Zeolite@MOF Core–Shell Structure Synthesized via Ion-Exchange-Induced Crystallization and Post-Synthetic Conversion
JACS Au ( IF 8.5 ) Pub Date : 2024-01-11 , DOI: 10.1021/jacsau.3c00680
Hye Leen Choi 1 , Yeanah Jeong 1 , Hongju Lee 1 , Tae-Hyun Bae 1
JACS Au ( IF 8.5 ) Pub Date : 2024-01-11 , DOI: 10.1021/jacsau.3c00680
Hye Leen Choi 1 , Yeanah Jeong 1 , Hongju Lee 1 , Tae-Hyun Bae 1
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Strategic design of nanostructures, such as the core–shell configuration, offers a promising avenue to harness the desired properties while mitigating the inherent limitations of individual materials. In our pursuit of synergizing the advantages of two distinct porous materials, namely, zeolites and metal–organic frameworks (MOFs), we aimed to develop the zeolite@MOF core–shell structures. To synthesize this targeted material while minimizing undesirable side reactions, we devised an innovative approach involving ion-exchange-induced crystallization and post-synthetic conversion. This method enabled the exclusive growth of a MOF on the zeolite surface. Specifically, we successfully crafted a CaA@ZIF-8 core–shell structure, employing it in the fabrication of mixed-matrix membranes for CO2 separation. Within this core–shell configuration, the ZIF-8 in the shell played a crucial role in enhancing the filler–polymer interfaces, leading to the development of defect-free membranes. Simultaneously, the CaA zeolite core exhibited a highly selective transport of CO2. The synergistic effects resulted in a membrane incorporating a CaA@ZIF-8 core–shell filler, which demonstrated a high CO2 permeability of 1142 Barrer and a CO2/CH4 selectivity of 43.3, significantly surpassing the established upper limits for polymeric membranes. Our findings underscore the potential of core–shell structures composed of microporous materials for achieving the coveted properties necessary for high-performance gas separation membranes.
中文翻译：
使用通过离子交换诱导结晶和合成后转化合成的Zeolite@MOF核壳结构的高性能混合基质膜
纳米结构的战略设计，例如核壳配置，为利用所需特性提供了一条有前途的途径，同时减轻了单个材料的固有限制。为了协同发挥两种不同的多孔材料（即沸石和金属有机框架 （MOF））的优势，我们的目标是开发zeolite@MOF核壳结构。为了合成这种目标材料，同时最大限度地减少不需要的副反应，我们设计了一种涉及离子交换诱导结晶和合成后转化的创新方法。这种方法使 MOF 在沸石表面的独家生长成为可能。具体来说，我们成功地制作了 CaA@ZIF-8 核壳结构，并将其用于制造用于 CO2 分离的混合基质膜。在这种核-壳构型中，壳中的 ZIF-8 在增强填料-聚合物界面方面发挥了关键作用，从而促进了无缺陷膜的开发。同时，CaA 沸石核心表现出 CO2 的高度选择性传输。协同效应导致采用 CaA@ZIF-8 核壳填料的膜，其 CO2 渗透率高达 1142 Barrer，CO2/CH4 选择性为 43.3，显著超过了聚合物膜的既定上限。我们的研究结果强调了由微孔材料组成的核壳结构在实现高性能气体分离膜所需的令人垂涎的特性方面的潜力。
更新日期：2024-01-11
中文翻译：
使用通过离子交换诱导结晶和合成后转化合成的Zeolite@MOF核壳结构的高性能混合基质膜
纳米结构的战略设计，例如核壳配置，为利用所需特性提供了一条有前途的途径，同时减轻了单个材料的固有限制。为了协同发挥两种不同的多孔材料（即沸石和金属有机框架 （MOF））的优势，我们的目标是开发zeolite@MOF核壳结构。为了合成这种目标材料，同时最大限度地减少不需要的副反应，我们设计了一种涉及离子交换诱导结晶和合成后转化的创新方法。这种方法使 MOF 在沸石表面的独家生长成为可能。具体来说，我们成功地制作了 CaA@ZIF-8 核壳结构，并将其用于制造用于 CO2 分离的混合基质膜。在这种核-壳构型中，壳中的 ZIF-8 在增强填料-聚合物界面方面发挥了关键作用，从而促进了无缺陷膜的开发。同时，CaA 沸石核心表现出 CO2 的高度选择性传输。协同效应导致采用 CaA@ZIF-8 核壳填料的膜，其 CO2 渗透率高达 1142 Barrer，CO2/CH4 选择性为 43.3，显著超过了聚合物膜的既定上限。我们的研究结果强调了由微孔材料组成的核壳结构在实现高性能气体分离膜所需的令人垂涎的特性方面的潜力。
京公网安备 11010802027423号