Orientation-Controlled MOF Membranes Enabling Switchable H 2 /CO 2 Separation

选择性 化学 渗透 气体分离 Crystal(编程语言) 化学工程 吸附 纳米技术 合成膜 选择性吸附 各向异性 熵(时间箭头) 单晶 膜技术 分离法 分子 分离(统计) 化学物理 色谱法
作者
Tianhao Lan,Yutao Liu,Yule Shen,Bin Yu,Linxuan Han,Chao Zhi,Yihong Wu,Yong Wang,Yang Chen,Jinping Li,Libo Li
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (13): 13964-13972
标识
DOI:10.1021/jacs.5c22587
摘要

Controlling the crystal orientation of metal–organic framework (MOF) membranes introduces a new dimension to chemical separations, as the alignment of anisotropic pore channels dictates the membrane’s separation performance. Here, we demonstrate that the gas separation behavior of the MOF membrane can be reversibly switched by tailoring their crystal orientation. Through a solvent-induced liquid-vapor deposition (LVD) strategy, we realize the direct, seed-free growth of a highly (112)-oriented ultrathin KAUST-7 membrane. For comparison, a (001)-pore-aligned KAUST-7 membrane is prepared via secondary growth. In contrast to conventional physical size-preferred orientations, variation in channel alignment here reconfigures the exposure of fluorine-rich NbOF52– adsorption centers toward CO2, establishing a chemical-preferred orientation that induces transition between entropy and enthalpy dominant molecular transport. Consequently, gas permeation tests reveal that the (112)-oriented KAUST-7 membrane exhibits an H2/CO2 selectivity of 52.7, whereas the (001)-pore-aligned KAUST-7 membrane shows a reversed CO2/H2 selectivity of 4.7. This marked contrast underscores that the separation properties of MOF membranes are not solely material-dependent but can be deliberately switched and optimized through crystal orientation engineering, offering a versatile design strategy for adaptive separation membranes.
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