DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-44921-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38245504
تاريخ النشر: 2024-01-20
المؤلف: Qi Yin وآخرون
الموضوع الرئيسي: الأطر العضوية المعدنية: التركيب والتطبيقات
النتائج
قسم النتائج يوضح تخليق وتوصيف HOF-BTB، وهو مادة بلورية تتكون من ربيطات 1,3,5-Tris(4-carboxyphenyl)benzene (BTB) مترابطة من خلال روابط هيدروجينية قائمة على الكربوكسيل، مما يؤدي إلى هيكل خلية نحل ثنائي الأبعاد يتداخل ليشكل شبكة ثلاثية الأبعاد مع قنوات أحادية الأبعاد بقطر حوالي 10 Å. تقنيات التوصيف مثل حيود الأشعة السينية بالمسحوق (PXRD)، وامتصاص النيتروجين، ونظرية الكثافة الوظيفية غير المحلية (NLDFT) لتوزيع أحجام المسام أكدت نجاح تخليق HOF-BTB. من الجدير بالذكر أن تشتت HOF-BTB في N,N-dimethyl formamidine (DMF) أنتج محلول غروي يظهر تأثير تيندال، مما يدل على تشكيل جزيئات نانوية، وهو ما تم دعمه أيضًا بواسطة مطيافية الأشعة فوق البنفسجية-المرئية التي كشفت عن نطاق امتصاص جديد عند 427 نانومتر.
تحليلات إضافية، بما في ذلك تشتت الضوء الديناميكي (DLS) والرنين المغناطيسي النووي (NMR)، أظهرت وجود جزيئات نانوية بأحجام متفاوتة وأشارت إلى معدل تبادل بروتون أسرع في HOF-BTB مقارنة بـ BTB غير المتبلور. تم تأكيد الاستقرار العالي للغرويات من خلال قياسات جهد زتا والتحول التدريجي لحجم الجسيمات مع مرور الوقت. كما استكشفت الدراسة تصنيع أغشية HOF-BTB@AAO باستخدام نهج صب المحلول، مع تحسين الظروف للتبلور والتجانس. أظهرت الأغشية الناتجة أداءً متفوقًا في فصل الغاز، لا سيما في فصل البروبلين/البروبان، مع عامل فصل مثالي قدره 20، متجاوزة العديد من الأغشية الموجودة. تبرز هذه الأبحاث إمكانيات HOF-BTB في التطبيقات التي تتطلب فصل الغاز الانتقائي، مما يظهر كل من سلامته الهيكلية في المحلول وقابليته العملية في تكنولوجيا الأغشية.
المناقشة
في هذه المناقشة، يبرز المؤلفون الحفاظ الناجح على الهيكل المسامي الأصلي لـ HOF (الإطار العضوي الهيدروكربوني) عند تشتته في المذيبات العضوية، مع تحليل هيكله البلوري باستخدام تقنيات Cryo-EM وحيود الإلكترون ثلاثي الأبعاد (3D-ED) في الموقع. تتيح هذه القدرة التصنيع الفعال لمجموعة متنوعة من أغشية HOF عالية التبلور من خلال طريقة صب المحلول المباشرة. تشمل الأمثلة البارزة HOF-BTB@AAO، HOF-BTB@HBG، وغيرها، التي تظهر التجانس والتبلور.
من بين هذه الأغشية، أظهر نوع HOF-BTB@AAO أداءً استثنائيًا، حيث حقق نفاذية C₃H₆ قدرها $1.979 \times 10^{-7} \, \text{mol} \cdot \text{s}^{-1} \cdot \text{m}^{-2} \cdot \text{Pa}^{-1}$ وعامل انتقائية (SF) قدره 14 لـ C₃H₆ على C₃H₈ عند 1 بار ودرجة حرارة الغرفة، مما يُعزى إلى خصائصه في غربلة الجزيئات. يبرز هذا الأداء إمكانيات الغشاء كتقنية فصل موفرة للطاقة للتطبيقات العملية. بالإضافة إلى ذلك، تم تقييم متانة غشاء HOF-BTB@AAO لفصل C₃H₆/C₃H₈ عند درجة حرارة الغرفة و100 كيلو باسكال، مما يشير إلى جدواه للاستخدام المستدام.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-44921-z
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38245504
Publication Date: 2024-01-20
Author(s): Qi Yin et al.
Primary Topic: Metal-Organic Frameworks: Synthesis and Applications
Results
The results section details the synthesis and characterization of HOF-BTB, a crystalline material formed from 1,3,5-Tris(4-carboxyphenyl)benzene (BTB) ligands interconnected through carboxyl-based hydrogen bonds, resulting in a 2D honeycomb structure that interpenetrates to create a 3D network with 1D channels approximately 10 Å in diameter. Characterization techniques such as powder X-ray diffraction (PXRD), nitrogen sorption isotherms, and nonlocal density functional theory (NLDFT) pore size distributions confirmed the successful synthesis of HOF-BTB. Notably, the dispersion of HOF-BTB in N,N-dimethyl formamidine (DMF) produced a colloidal solution exhibiting a Tyndall effect, indicative of nanoparticle formation, which was further supported by UV-visible spectroscopy revealing a new absorption band at 427 nm.
Further analyses, including dynamic light scattering (DLS) and nuclear magnetic resonance (NMR), demonstrated the presence of nanoparticles of varying sizes and indicated a faster proton-exchange rate in HOF-BTB compared to amorphous BTB. The high stability of the colloid was confirmed by zeta potential measurements and the gradual transformation of particle size over time. The study also explored the fabrication of HOF-BTB@AAO membranes using a solution-casting approach, optimizing conditions for crystallinity and uniformity. The resulting membranes exhibited superior gas separation performance, particularly in propylene/propane separation, with an ideal separation factor of 20, surpassing many existing membranes. This research highlights the potential of HOF-BTB in applications requiring selective gas separation, demonstrating both its structural integrity in solution and its practical applicability in membrane technology.
Discussion
In this discussion, the authors highlight the successful preservation of the original porous structure of the HOF (Hydrocarbon Organic Framework) when dispersed in organic solvents, with its crystallographic structure analyzed using in-situ Cryo-EM and 3D electron diffraction (3D-ED) techniques. This capability allows for the effective fabrication of various high-crystallinity HOF membranes through a straightforward solution-casting method. Notable examples include HOF-BTB@AAO, HOF-BTB@HBG, and others, which exhibit uniformity and crystallinity.
Among these membranes, the HOF-BTB@AAO variant demonstrated exceptional performance, achieving a C₃H₆ permeance of $1.979 \times 10^{-7} \, \text{mol} \cdot \text{s}^{-1} \cdot \text{m}^{-2} \cdot \text{Pa}^{-1}$ and a selectivity factor (SF) of 14 for C₃H₆ over C₃H₈ at 1 bar and room temperature, attributed to its molecular sieving properties. This performance underscores the membrane’s potential as an energy-efficient separation technology for practical applications. Additionally, the long-term durability of the HOF-BTB@AAO membrane for C₃H₆/C₃H₈ separation at room temperature and 100 kPa was also evaluated, indicating its viability for sustained use.