Tuning the Phase Composition of Metal–Organic Framework Membranes for Helium Separation through Incorporation of Fullerenes

化学 气体分离 富勒烯 渗透 选择性 渗透 化学工程 金属有机骨架 相(物质) 分析化学(期刊) 纳米技术 色谱法 有机化学 吸附 材料科学 生物化学 工程类 催化作用
作者
Jiuli Han,Haoyu Wu,Hongwei Fan,Li Ding,Guangtong Hai,Jürgen Caro,Haihui Wang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (27): 14793-14801 被引量:45
标识
DOI:10.1021/jacs.3c03362
摘要

Metal-organic framework (MOF) membranes have attracted significant research interest in gas separation, but efficient helium (He) separation remains a challenge due to the weak polarizability of He and the intrinsic pore size flexibility of MOFs. Herein, incorporated fullerenes (C60 and C70) were used to tune the crystallographic phase composition of ZIF-8 membranes, thus creating small and fixed apertures for selective He permeation. The fullerene-modified ZIF-8 (C60@ZIF-8 and C70@ZIF-8) membranes contain about 20% of the rigid-lattice ZIF-8_I-43m phase and have been prepared as 200-350 nm thick supported layers through electrochemical synthesis. They show a significantly enhanced molecular sieving for He/N2,CH4 together with a satisfactory He permeance of >200 GPU. Specifically, the He/N2 selectivity of the C70@ZIF-8 membrane is up to 30.4, which is much higher than that of the fullerene-free ZIF-8 membrane (5.1) and nearly an order of magnitude higher than those of other reported He-selective MOF membranes. A continuous long-term gas permeation test over 780 h under dry and humid conditions proved the excellent stability of the fullerene-modified ZIF-8 membranes. The general validity and versatility of the proposed strategy for MOF membrane preparation are also demonstrated by the enhancement of the separation performance of a fullerene-modified ZIF-76 membrane.
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