Anchoring metal ions in iCOF to enhance the charge density for boosting CO2 separation in mixed matrix membranes

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作者
Yong Zhang,Chao Liang,Zhaomin Li,Xueqin Li
出处
期刊:Advanced membranes [Elsevier]
卷期号:5: 100167-100167
标识
DOI:10.1016/j.advmem.2025.100167
摘要

Ionic covalent organic frameworks (iCOFs), with electrostatic microenvironment suitable for CO 2 separation, are regarded as ideal materials for gas membrane separation. However, the improvement of CO 2 /CH 4 selectivity remains challenging because of low charge density of iCOFs. This study proposes the strategy for efficient CO 2 separation by anchoring metal ions (Cu 2+ , Al 3+ and Zr 4+ ) between iCOF interlayers to regulate the charge density of iCOF in mixed matrix membranes (MMMs). The polarizability of different metal ions regulates their charge transfer with iCOFs, leading to charge densities that follow the increased order: Cu-COF < Al-COF < Zr-COF. Compared to metal-COFs with low charge density, the Zr-COF featuring high charge density exhibits a more favorable positively electrostatic microenvironment for CO 2 separation in MMMs, primarily attributed to the fact that it enhances interaction with the negatively charged oxygen atoms in CO 2 molecules, thereby improving CO 2 transport in MMMs. Pebax/Zr-COF MMM exhibit the optimal CO 2 separation performance with enhanced permeability (∼66%) and selectivity (∼93%) than that of pure Pebax membrane, surpassing the Robeson upper bound. Therefore, anchoring metal ions in iCOF interlayers to enhance charge density offers a strategy for designing efficient CO 2 separation in MMMs.
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