Mixed matrix membranes containing MOF@COF hybrid fillers for efficient CO2/CH4 separation

聚合物 涂层 化学工程 材料科学 气体分离 填料(材料) 复合材料 化学 工程类 生物化学
作者
Youdong Cheng,Yunpan Ying,Linzhi Zhai,Guoliang Liu,Jinqiao Dong,Yuxiang Wang,Mark Prasath Christopher,Sichang Long,Yaxin Wang,Dan Zhao
出处
期刊:Journal of Membrane Science [Elsevier BV]
卷期号:573: 97-106 被引量:259
标识
DOI:10.1016/j.memsci.2018.11.060
摘要

Membrane technology has aroused great attention for gas separations due to its high energy efficiency, small capital investment, easy and continuous operation. Mixed matrix membranes (MMMs) constructed from a continuous polymer phase and a dispersed filler phase offer new opportunities to achieve a breakthrough in fabricating high-performance membranes. Metal–organic frameworks (MOFs) have been regarded as potential fillers to boost the MMM separation performance. However, MOFs occasionally exhibit limited compatibility with the polymer matrixes owing to their partially inorganic structure and tendency of agglomeration in the membranes. Here, an interfacial design strategy is demonstrated by coating size-selective MOF cores with covalent organic framework (COF) layers to construct [email protected] hybrids as fillers in MMMs for enhanced polymer-filler compatibility. The pure organic COF layers exhibit high affinity to the polymer matrix, thereby preventing the formation of nonselective interfacial voids and alleviating filler agglomeration. With the incorporation of only 5 wt% of [email protected] fillers, the resultant MMM exhibits 48% and 79% enhancements in CO2 permeability and CO2/CH4 selectivity, respectively, with better operational stability compared to that of the pure polymeric membrane. These results reveal a novel filler design strategy for the tailored synthesis of high-performance MMMs for natural gas and biogas purification.
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