초고속 분자 수송을 위한 상 전환을 통한 공유 유기 프레임워크 멤브레인 조립

Nature Communications 13권, 기사 번호: 3169(2022) 이 기사 인용

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분자 수송을 위한 공유 유기 프레임워크(COF) 멤브레인의 제조는 분자 분리를 위한 저에너지 및 비용 효율적인 경로로서 매우 실용적인 관심을 불러일으켰습니다. 그러나 현재 대부분의 COF 멤브레인은 동시 중합 및 결정화에 의해 액상에서 1단계 절차를 통해 조립되며, 이는 느슨하게 포장되고 덜 정렬된 구조를 동반하는 경우가 많습니다. 여기서는 중합 공정과 결정화 공정을 분리하여 소형의 고결정성 COF 멤브레인을 조립하는 상 전환 전략을 통한 2단계 절차를 제안합니다. 사전 조립 단계에서는 혼합된 단량체 용액이 중합 공정의 완료와 함께 액상의 깨끗한 막으로 캐스팅됩니다. 조립 단계에서는 결정화 과정이 완료되면서 깨끗한 멤브레인이 용매와 촉매의 증기상에서 COF 멤브레인으로 변환됩니다. 콤팩트하고 결정성이 높은 구조로 인해 결과적인 COF 멤브레인은 전례 없는 투과성을 나타냅니다(물 ≒ 403 L m−2 bar−1 h−1 및 아세토니트릴 ≒ 519 L m−2 bar−1 h−1). 상 전환 전략을 통한 우리의 2단계 절차는 고급 유기 결정질 미세 다공성 막 제조에 대한 새로운 길을 열 수 있습니다.

멤브레인 기술은 현재의 에너지 집약적 분리 응용프로그램1,2,3,4,5을 대체하기 위한 파괴적이고 필수적인 기술로 구상되었습니다. 콤팩트하고 고도로 정렬된 미세 다공성 멤브레인을 위한 새로운 재료와 제조 전략을 탐구하는 것은 지속적인 추구입니다6,7,8,9,10. 공유 유기 프레임워크(COF)는 조정 가능하고 영구적인 기공, 원자적으로 정렬된 기공 구조 및 높은 다공성을 갖는 결정성 폴리머 클래스로, 망상 화학을 기반으로 하는 유기 빌딩 블록(또는 단량체)의 공유 결합으로 구성됩니다. . 유기 빌딩 블록의 다양성은 COF에 뛰어난 구조적 설계성을 부여하여 분자 수준에서 기공 크기와 기능을 맞춤화할 수 있습니다. 예를 들어, 적절한 단량체를 선택하면 COF 기공을 조작하여 크기, 모양 또는 전하에 따라 분자를 분리할 수 있습니다. 마찬가지로, 원하는 특성을 가진 COF는 가역적 특성을 활용하여 연결 수정 또는 연결 변환을 통해 맞춤화될 수 있습니다. 이러한 특징으로 인해 COF는 선택적 분자 수송을 위한 고급 멤브레인 제조를 위한 강력한 재료가 됩니다.

COF는 대부분 고도로 결합된 중합 및 결정화 공정에 의해 액상에서 1단계 절차를 통해 제조됩니다. 보고된 COF 멤브레인의 대부분은 주로 계면(기름-물 이상 시스템) 또는 현장 용매열(단상 시스템) 방법을 사용하여 액체상에서 이 1단계 절차를 사용하여 조립됩니다. 액체에서는 막 형성 중 동시 중합 및 결정화를 제어하는 ​​것이 매우 어렵습니다. 주로 액체의 높은 표면 장력(2 x 10-2-5 x 10-2 N m-1)과 점도(0.3-4 cp)로 인해 반응 현장에서 부산물을 제거하기가 매우 어렵습니다. 32. 결과적으로, 반응하는 단량체의 농도는 중합 부위 근처에서 낮은 반면, 부산물의 농도는 높아서 반응 가역성을 방해합니다20,33,34. 더욱이, 액상에서 단량체/나노입자의 무작위 이동으로 인해 느슨하고 결정성이 낮은 막이 형성됩니다. 최근 우리는 고체-증기 경계면에서와 같이 COF 멤브레인을 조립하는 동안 액체를 제거하면 작고 결정성이 높은 멤브레인을 제조할 수 있다고 보고했습니다. 그러나 증기상 단량체의 녹는점에 대한 의존성은 광범위한 적용을 크게 제한합니다. 우리는 고급 COF 멤브레인 재료에서 획기적인 발전을 달성하기 위해 중합 반응 공정과 결정화 조립 공정을 멤브레인 구조의 방향성 진화로 분리하기 위해 1단계 절차 대신 2단계 절차를 탐색하는 것을 구상했습니다.