[发明专利]一种Janus氮掺杂碳纳米纤维薄膜及制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种Janus氮掺杂碳纳米纤维薄膜及制备方法与应用，其制备方法为：在惰性气氛中，向碳纳米纤维薄膜通入氨气与惰性气体的混合气体，加热至850～950℃，处理3～15min，获得氮掺杂碳纳米纤维薄膜；将氮掺杂碳纳米纤维薄膜一面的氮掺杂层去除获得Janus氮掺杂碳纳米纤维薄膜。本发明提供的Janus氮掺杂碳纳米纤维薄膜一面疏水、另一面亲水，可以半漂浮在水面上，能够实现同时吸收水面的油类和吸附溶解在水里的染料。

技术领域

本发明涉及一种Janus氮掺杂碳纳米纤维薄膜及制备方法与应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

Janus薄膜，即正反两面带有不同润湿性的薄膜，在雾气收集、微流体、多功能吸附剂和油/水分离等领域具有广泛的应用前景，因此，探索Janus薄膜的低成本、可控制备方法一直是近年来一个活跃的研究领域。如在“Janus polymer/carbon nanotube hybridmembranesfor oil/water separation”，ACS Appl.Mater.Interfaces 6,16204-16209(2014)(“用于油/水分离的Janus高分子/碳纳米管异质薄膜”，《美国化学会应用材料与界面》2014年第6卷第16204-16209页)一文中所述，将疏水性和亲水性的不同高分子分别嫁接到碳纳米管薄膜的不同表面以后，可以获得一面亲水而另一面疏水的Janus碳纳米管薄膜。由于同时亲水性和疏水性，此种碳纳米管薄膜既可以分离水包油乳液，又可以分离油包水乳液。另外，“Improvedinterfacial floatability of superhydrophobic/superhydrophilic Janus sheet inspired by lotus leaf”，Adv.Funct.Mater.27,1701466(2017)(超疏水/超亲水Janus薄膜受荷叶启发而提高的界面漂浮性能，《先进功能材料》2017年第27卷第1701466页)一文中提到了Janus铜薄膜的制备方法，即先利用化学腐蚀的方法在铜薄膜的两个表面得到超亲水性的氢氧化铜纳米结构，然后再对一个表面的氢氧化铜纳米结构进行疏水化处理。这样得到的铜薄膜一面是超亲水性而另一面是超疏水性，从而使这种薄膜在水表面具有非常高的稳定性。然而，经过本发明的发明人研究发现，目前制备Janus薄膜的方法都包含了多步复杂和繁琐的操作过程，并且都使用了大量的有毒或者具有高腐蚀性的化学药品，从而不利于Janus薄膜的低成本制备，也容易对环境造成污染。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种Janus氮掺杂碳纳米纤维薄膜及制备方法与应用，本发明提供的Janus氮掺杂碳纳米纤维薄膜一面疏水、另一面亲水，该薄膜可以半漂浮在水面上，能够实现同时吸收水面的油类和吸附溶解在水里的染料。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一方面，一种Janus氮掺杂碳纳米纤维薄膜的制备方法，在惰性气氛中，向碳纳米纤维薄膜通入氨气与惰性气体的混合气体，加热至850～950℃，处理3～15min，获得氮掺杂碳纳米纤维薄膜；将氮掺杂碳纳米纤维薄膜一面的氮掺杂层去除获得Janus氮掺杂碳纳米纤维薄膜。

经过实验发现，经过氨气热处理的碳纳米纤维薄膜能够由疏水性转变为亲水性，当处理时间为3～15min时，能够保证碳纳米纤维薄膜表面变为亲水性，而内部仍为疏水性，此时将一面亲水性层去除，则能够获得Janus薄膜。

另一方面，一种Janus氮掺杂碳纳米纤维薄膜，由上述制备方法获得。

第三方面，一种上述Janus氮掺杂碳纳米纤维薄膜在油水分离和/或吸附水中染料中的应用。

本发明的有益效果为：

1.本发明采用氨气热处理能够将疏水性的碳纳米纤维薄膜转变为亲水性。