A smart and responsive crystalline porous organic cage membrane with switchable pore apertures for graded molecular sieving

渗透 材料科学 溶剂 聚丙烯腈 多孔性 选择性 甲醇 化学工程 聚合物 有机化学 化学 复合材料 渗透 生物化学 工程类 催化作用
作者
Ai He,Zhiwei Jiang,Yue Wu,Hadeel Hussain,Jonathan Rawle,Michael E. Briggs,Marc A. Little,Andrew G. Livingston,Andrew I. Cooper
出处
期刊:Nature Materials [Nature Portfolio]
卷期号:21 (4): 463-470 被引量:152
标识
DOI:10.1038/s41563-021-01168-z
摘要

Membranes with high selectivity offer an attractive route to molecular separations, where technologies such as distillation and chromatography are energy intensive. However, it remains challenging to fine tune the structure and porosity in membranes, particularly to separate molecules of similar size. Here, we report a process for producing composite membranes that comprise crystalline porous organic cage films fabricated by interfacial synthesis on a polyacrylonitrile support. These membranes exhibit ultrafast solvent permeance and high rejection of organic dyes with molecular weights over 600 g mol-1. The crystalline cage film is dynamic, and its pore aperture can be switched in methanol to generate larger pores that provide increased methanol permeance and higher molecular weight cut-offs (1,400 g mol-1). By varying the water/methanol ratio, the film can be switched between two phases that have different selectivities, such that a single, 'smart' crystalline membrane can perform graded molecular sieving. We exemplify this by separating three organic dyes in a single-stage, single-membrane process.
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