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Scalable and Versatile Fabrication of Free-Standing Covalent Organic Framework Membranes with Tunable Microstructure for Molecular Separation

化学 制作 共价键 微观结构 共价有机骨架 可扩展性 纳米技术 化学工程 有机化学 结晶学 工程类 替代医学 材料科学 病理 数据库 医学 生物化学 计算机科学
作者
Kasper Eliasson,Fanfan Jiang,Michelle Åhlén,Maria Strømme,Chao Xu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (32): 29271-29281 被引量:17
标识
DOI:10.1021/jacs.5c08788
摘要

Covalent organic framework (COF) membranes hold significant promise for applications in separation, catalysis, and energy conversion; however, their industrial adoption has been hindered by the lack of scalable and efficient fabrication methods. Here, we present a fast, versatile, and broadly applicable strategy for fabricating free-standing and flexible COF membranes by casting precursor suspensions, followed by heat treatment under controlled humidity. This approach enables the fabrication of COF membranes with lateral dimensions up to several square decimeters and thicknesses that are tunable down to submicron levels within 1 h. It demonstrates remarkable versatility for producing a family of ketoenamine-linked COF membranes through the condensation of 1,3,5-triformylphloroglucinol with various amine monomers differing in length, side groups, and geometry. The resulting crack-free COF membranes exhibit high mechanical strength, with ultimate tensile strength up to 60 MPa and Young's modulus up to 1.7 GPa, as well as exceptionally high porosity, with Brunauer-Emmett-Teller (BET) surface areas reaching up to 2226 m2 g-1. More importantly, the morphology, porosity, and crystallinity of the membranes can be finely tuned by modulating the heating conditions. The membranes with optimized microstructures demonstrate excellent separation performance, achieving over 99% rejection in nanofiltration of aqueous dye solutions, and a separation factor of 11 with an H2 permeance of 2857 GPU in H2/CO2 gas separation. This approach provides a scalable and effective pathway toward large-scale COF membrane manufacturing for advanced molecular separations and other membrane-based technologies.
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