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Engineering the Polymer–MOF Interface in Microporous Composites to Address Complex Mixture Separations

材料科学 微型多孔材料 增塑剂 聚合物 选择性 吸附 气体分离 化学工程 三元运算 有机化学 复合材料 化学 吸附 催化作用 生物化学 工程类 程序设计语言 计算机科学
作者
Wan‐Ni Wu,Katherine Mizrahi Rodriguez,Naksha Roy,Justin J. Teesdale,Gang Han,Alexander Liu,Zachary P. Smith
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (45): 52893-52907 被引量:21
标识
DOI:10.1021/acsami.3c11300
摘要

Poor interfacial compatibility remains a pressing challenge in the fabrication of high-performance polymer–MOF composites. In response, introducing compatible chemistries such as a carboxylic acid moiety has emerged as a compelling strategy to increase polymer–MOF interactions. In this work, we leveraged compatible functionalities in UiO-66-NH2 and a carboxylic acid-functionalized PIM-1 to fabricate mixed-matrix membranes (MMMs) with improved separation performance compared to PIM-1-based MMMs in industrially relevant conditions. Under pure-gas conditions, PIM-COOH-based MMMs retained selectivity with increasing MOF loading and showed increased permeability due to increased diffusion. The composites were further investigated under industrially relevant conditions, including CO2/N2, CO2/CH4, and H2S/CO2/CH4 mixtures, to elucidate the effects of competitive sorption and plasticization. Incorporation of UiO-66-NH2 in PIM-COOH and PIM-1 mitigated the effects of CO2- and H2S-induced plasticization typically observed in linear polymers. In CO2-based binary mixed-gas tests, all samples showed similar performance as that in pure-gas tests, with minimal competitive sorption contributions associated with the amine functional groups of the MOF. In ternary mixed-gas tests, improved plasticization resistance and interfacial compatibility resulted in PIM-COOH-based MMMs having the highest H2S/CH4 and CO2/CH4 selectivity combinations among the films tested in this study. These findings demonstrate that selecting MOFs and polymers with compatible functional groups is a useful strategy in developing high-performing microporous MMMs that require stability under complex and industrially relevant conditions.
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