Tunable Molecular Sieving by Hierarchically Assembled Porous Organic Cage Membranes with Solvent-Responsive Switchable Pores

渗透 化学工程 溶剂 甲醇 多孔性 笼子 材料科学 过滤(数学) 选择性 化学 纳米技术 有机化学 催化作用 数学 渗透 生物化学 统计 组合数学 工程类
作者
Abdul Ghaffar,Muhammad Hassan,Oleksiy V. Penkov,Cafer T. Yavuz,Kemal Çelebi
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:57 (48): 20380-20391 被引量:4
标识
DOI:10.1021/acs.est.3c05883
摘要

Molecular separations involving solvents and organic impurities represent great challenges for environmental and water-intensive industries. Novel materials with intrinsic nanoscale pores offer a great choice for improvement in terms of energy efficiency and capital costs. Particularly, in applications where gradient and ordered separation of organic contaminants remain elusive, smart materials with switchable pores can offer efficient solutions. Here, we report a hierarchically networked porous organic cage membrane with dynamic control over pores, elucidating stable solvent permeance and tunable dye rejection over different molecular weights. The engineered cage membrane can spontaneously modulate its geometry and pore size from water to methanol and DMF in a reversible manner. The cage membrane exhibits ≥585.59 g mol–1 molecular weight cutoff preferentially in water and is impeded by methanol (799.8 g mol–1) and DMF (≈1017 g mol–1), reflecting 36 and 73% change in rejection due to self-regulation and the flexible network, respectively. Grazing incidence X-ray diffraction illustrates a clear peak downshift, suggesting an intrinsic structural change when the cage membranes were immersed in methanol or DMF. We have observed reversible structural changes that can also be tuned by preparing a methanol/DMF mixture and adjusting their ratio, thereby enabling gradient molecular filtration. We anticipate that such cage membranes with dynamic selectivity could be promising particularly for industrial separations and wastewater treatment.
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