Free volume, gas permeation, and proton conductivity in MIL-101-SO3H/Nafion composite membranes

文献情報

出版日 2019-10-19
DOI 10.1039/C9CP04832D
インパクトファクター 3.676
著者

Chongshan Yin, Chunqing He, Qicheng Liu, Bangyun Xiong, Xiaowei Zhang, Libing Qian, Jingjing Li, Yawei Zhou


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要旨

A series of MIL-101-SO3H/Nafion composite membranes was synthesized. They show an improved proton conductivity, due to the abundance of SO3H groups, which fosters proton conduction by binding the water molecules and enabling a larger number of conducting sites. Gas (including water vapor, hydrogen, and oxygen) permeability, crystallinity, and free volumes of the MIL-101-SO3H/Nafion composite membranes were investigated, as well as their correlation. By increasing the MIL-101-SO3H content, the gas permeability of the membranes significantly decreases, since the crystalline region is larger and the water-bearing MIL-101-SO3H particles are efficient barriers for the gas molecules. The gas permeation in the composite membranes is a very complex process and the results indicate no simple linear relation between the gas permeability and the free volume size (VFV), or between the gas permeability and the crystallinity. Moreover, it is very interesting to observe that the influence of VFV on the gas permeability is closely related to the size of the particular gas molecules: the larger the size of the gas molecules, the larger the free volume needed to achieve their rapid diffusion in the membrane. The results suggest the presence of a threshold value for VFV, which depends on the size of the gas molecules: when VFV is lower than this value, the gas molecules cannot easily jump through neighboring free volumes to a neighboring site, and, as a result, the permeability drops quickly.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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