COF/MXene composite membranes compact assembled by electrostatic interactions: A strategy for H2/CO2 separation

渗透 介孔材料 选择性 多孔性 复合数 共价有机骨架 气体分离 材料科学 化学工程 共价键 分子 纳米技术 化学 复合材料 催化作用 有机化学 工程类 生物化学
作者
Da Xu,Yun Jin,Claudia Li,Yiyi Fan,Sibudjing Kawi,Xiuxia Meng,Jia Song,Naitao Yang
出处
期刊:Journal of Membrane Science [Elsevier]
卷期号:700: 122678-122678
标识
DOI:10.1016/j.memsci.2024.122678
摘要

H2 and CO2 separation in processes such as reforming hydrocarbons or gasifying fossil fuels using membranes has gained attention as an energy-efficient separation method. Covalent organic frameworks (COFs) are a promising class of organic porous crystalline materials, but their pore sizes (typically >0.5 nm) exceed the kinetic diameters of H2 (0.289 nm) and CO2 (0.33 nm). Herein, we aimed to improve the H2/CO2 selectivity of COF (TpPa-1) membranes by fabricating a two-dimensional composite membrane. This strategy involved the compact assembly of mesoporous COF (TpPa-1) nanosheets facilitated by non-porous MXene (Ti3C2Tx), driven by electrostatic interactions. The objective was to reduce the pore sizes of gas transport channels, enabling molecular sieving for H2/CO2 separation. Additionally, strong adsorptive interactions between CO2 and the COF/MXene composite membranes were leveraged to impede the transport of CO2 molecules. The results demonstrated that the 2D COF/MXene composite membranes with a Ti3C2Tx doping amount of 65 wt% achieved the highest H2/CO2 selectivity of 64.0 at 298 K, which was 5.67 times that of the pristine COF (TpPa-1) membrane. The H2 permeance reached 2.35×10−7 mol m−2 s−1 Pa−1, surpassing the latest Robeson upper bound. This innovative strategy not only presents a high-performance candidate for H2/CO2 separation but also provides inspiration for pore regulation of COF compactly assembled with non-porous MXene through electrostatic interactions.
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