Een onderzoeksgroep onder leiding van Prof. Yang Weishen en Dr. Peng Yuan van het Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) van de Chinese Academie van Wetenschappen (CAS) ontwikkelde een nieuwe strategie om enkelfasige CO ₂ -selectieve covalente organische raamwerken (COF's) nanosheetmembranen gekenmerkt met zowel hoge CO ₂ /H ₂ scheidingsfactoren en hoge CO ₂ doorlaatbaarheid.

Deze studie is gepubliceerd in Internationale editie van Angewandte Chemie op 20 juli.

Tweedimensionale (2D) COF's, een klasse van kristallijne organische skeletten met permanente eendimensionale poriën, zijn veelbelovend om te dienen als hoogwaardige membraanmaterialen in CO ₂ veld vastleggen. Echter, hun inherente poriegroottes (> 0,8 nm) zijn te groot om momenteel de gewenste moleculaire zeefcapaciteit voor gasscheidingen te verschaffen.

De onderzoekers exfolieerden drie soorten 2D COF's, dat is, TpPa-1, TpPa-2 en TpHz, met een gemiddelde deeltjesgrootte van 3 um en verschillende poriegroottes tot 2 nm dikke nanosheets. Intacte kristalliniteiten en functionaliteiten bleven goed behouden na een exfoliatiebehandeling.

Ze ontdekten dat zelfs de TpHz met de relatief kleinste inherente poriegrootte niet de gewenste gasscheidingsprestaties kon vertonen in een vorm van conventioneel bulkmembraan. Met ultradunne nanosheets die dienden als membraanbouweenheden, ze ontwikkelden nieuwe COF-nanobladmembranen met onderscheidende verspringende stapelmicrostructuren.

"Net als het visnet, je kunt verschillende netten onregelmatig opstapelen om kleine vissen te vangen, " zei dr. Peng.

De intrigerende membraanstructuren in samenwerking met inherent CO ₂ -selectieve adsorptiecapaciteiten van COF-frameworks gaven de COF-nanobladmembranen een permeatieprioriteit van grote CO ₂ moleculen uit gemengd CO ₂ /H ₂ gas gebaseerd op een oppervlaktediffusiemechanisme.

Tussen de membranen, TpPa-2 nanosheet-membranen met gemiddelde poriegrootte vertoonden de hoogste CO ₂ /H ₂ scheidingsfactor en CO ₂ doorlaatbaarheid, die het doel bereikte met commerciële haalbaarheid voor syngasscheidingen.

De onderzoekers identificeerden dat de TpPa-2 nanosheet-membranen goede vernauwde poriën vertoonden die waren afgeleid van de verspringende stapelpatronen, waardoor precies twee kolommen CO ₂ moleculen om door te gaan en maximaliseerde het blokkerende effect voor H2-passage.

Deze studie biedt een nieuwe porie-engineeringstrategie voor het ontwerp en de fabricage van hoogwaardige COF-membranen op het gebied van gasscheiding.

"Om optimaal gebruik te maken van deze porie-engineeringstrategie, verschillende categorieën COF's met gediversifieerde poriestructuren kunnen gespecificeerde membraangebaseerde gasscheidingen mogelijk maken, " zei prof. Yang.