[发明专利]一种插层MXene分离膜、制备方法以及在H2

说明书

本发明公开了一种室温下通过原位合成的MOF‑801@MXene纳米片作为构筑单元从而构建出具有显著增强的渗透性和选择性的MOF@MXene膜。本方法通过带负电的MXene纳米片可以通过静电相互作用从周围锚定Zr金属离子，然后在室温下与配体配位，从而在MXene纳米片上均匀生长出MOF‑801晶体。然后在多孔有机基材表面上将所合成的MOF‑801@MXene纳米片进行真空抽滤制膜。由于MOF‑801晶体可以为H₂分子提供更多的传输通道，并对CO₂分子具有高吸附能力以阻止其扩散，因此所制备膜显示出优异的气体分离性能，H₂/CO₂选择性为26.6。

技术领域

本发明涉及一种插层MXene分离膜、制备方法以及在H₂/CO₂分离中的应用，属于气体分离膜技术领域。

背景技术

与其他二维材料(如氧化石墨烯)相比，MXene膜具有坚固的分离通道，即使浸入水溶液中，通道也能够保持结构完整性超过一个月[1]，而GO膜由于GO纳米片和水分子之间的强水合作用而出现损坏[2,3]。

到目前为止，研究最多的MXene是Ti₃C₂T_x，它已被广泛制备为用于水净化的分离膜。然而，关于用于气体分离的MXene膜却鲜有报道。现有技术中报道了具有齐整和规则通道的层状MXene膜的构造，以实现H₂/CO₂的高分离性能，这为使用基于MXene的膜进行气体分离打开了大门[4]。现有技术中还给出了一种厚度低至20nm的可调MXene薄膜，其堆叠行为和层间距可通过功能化硼酸盐和PEI分子来精确调控，从而实现从H₂选择性通道到CO₂选择性通道的转变[5]。另外，也给出了一种简便的热处理工艺制备了自交联的MXene 中空纤维膜，所合成的具有有效层间空间调节的膜表现出优异的H₂/CO₂气体分离性能和良好的操作稳定性。然而，这些研究集中在使用交联策略或利用MXene膜内的固有纳米通道来操纵层间空间，传统的插层方法是物理共混[6-8]，其中需要先合成多孔晶体，然后与膜构筑单元混合，这种方法既复杂、耗时，并且混合晶体的均匀性不好，使MXene膜的分离特性仍然不能得到有效的提高。

参考文献：

[1]L.Ding,Y.Wei,Y.Wang,H.Chen,J.Caro,H.Wang,A two-dimensionallamellar membrane:MXene nanosheet stacks,Angew.Chem.Int.Ed.,56(2017)1825-1829.

[2]S.Zheng,Q.Tu,J.J.Urban,S.Li,B.Mi,Swelling of graphene oxidemembranes in aqueous solution:characterization of interlayer spacing andinsight into water transport mechanisms, ACS nano,11(2017)6440-6450.

[3]Z.-H.Chen,Z.Liu,J.-Q.Hu,Q.-W.Cai,X.-Y.Li,W.Wang,Y.Faraj,X.-J.Ju,R.Xie,L.-Y. Chu,β-Cyclodextrin-modified graphene oxide membranes with largeadsorption capacity and high flux for efficient removal of bisphenol A fromwater,J.Membr.Sci.,595(2020)117510.