一种基于MXene的铋基光催化复合膜及其制备方法技术

本发明专利技术属于膜制备技术领域，具体提供了一种基于MXene的铋基光催化复合膜，包含MXene纳米片、铋基光催化纳米粒子以及多孔支撑层，所述铋基光催化纳米粒子原位生长在单层MXene纳米片上形成MXene/铋基光催化纳米粒子复合材料，所述MXene/铋基光催化纳米粒子复合材料制备在多孔支撑层上；这种膜具有良好的分离性能，在保持了截留率的前提下，纯水通量较传统的聚合物膜提升2～23倍；具有优异的自清洁抗污染性能，膜对染料分子罗丹明B进行过滤实验12小时后，用模拟太阳光照对膜片上吸附的染料进行降解20分钟，膜水通量恢复率高达97.6％；本发明专利技术提供的一种基于MXene的铋基光催化复合膜制备方法相对简单，成本低廉，并且节省时间，适合工业化扩大生产。

【技术实现步骤摘要】
一种基于MXene的铋基光催化复合膜及其制备方法
本专利技术属于膜材料及膜制备
，尤其涉及一种基于MXene的铋基光催化复合膜及其制备方法。
技术介绍
伴随工业化的发展，越来越多的工业废水导致日趋严重的环境污染。重要污染源之一的纺织与染料工业有毒废水中，有机物小分子结构稳定、含量高、色度深、不易被降解。膜分离技术依靠低能耗、高效率、环境友好等优势，在印染废水处理方面扮演着重要角色。以Ti3C2Tx为代表的MXene，是一种二维层状过渡金属碳/氮化物，凭借其层状超薄和刚性结构、超高电导率、优异光热转换效率(～100％)及亲水性等优点，是水处理领域具有前景的新型膜材料，在构筑稳定、快速的水分子传输通道结构方面表现出独特优势；然而，由于染料分子沉积或吸附会造成膜污染现象，导致膜通量严重衰减及分离性能的劣化。将光催化与膜分离技术耦合，构筑集分离与光催化降解污染物功能于一体的光催化膜，能从根本上减缓膜污染问题，实现废水的高效净化。目前包括TiO2、g-C3N4、碳量子点等多种光催化剂已用于光催化膜的制备(AppliedCatalysisB:Environmental2020,264,118528；JournalofMembraneScience2019,584,364-392；ACSAppliedMaterials&Interfaces2020,12,580-590)；但上述光催化剂禁带宽度较大，光谱响应范围窄，仅对较高能量的紫外光(占太阳光3％～5％)或部分可见光响应，导致光催化膜太阳能利用率低、污染物降解自清洁性能不佳。因此，寻求和发展光催化降解效率高的光催化剂，进而制备分离性能优异的光催化膜，显得尤为重要。
技术实现思路
为了解决上述问题，本专利技术提供了一种基于MXene的铋基光催化复合膜，包含MXene纳米片、铋基光催化纳米粒子以及多孔支撑层，所述铋基光催化纳米粒子原位生长在单层MXene纳米片上形成MXene/铋基光催化纳米粒子复合材料，所述MXene/铋基光催化纳米粒子复合材料制备在多孔支撑层上。作为上述方案的进一步说明，所述铋基光催化纳米粒子为Bi2O3、Bi2S3、BiFeO3、Bi2VO4、Bi2WO6、Bi2MoO6、BiOCl、BiOBr、BiOI、BiPO4、Bi2O2CO3中的任一种。作为上述方案的进一步说明，所述多孔支撑层为聚醚砜超滤膜、聚砜超滤膜、聚偏氟乙烯多孔膜和氧化铝陶瓷膜中的任一种。作为上述方案的进一步说明，所述MXene纳米片为Ti2CTx、Ti3C2Tx和Nb4C3Tx中的任一种。本专利技术还提供了一种基于MXene的铋基光催化复合膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步：配置MXene水分散液，加入还原剂；第二步：在MXene水分散液中加入铋源、硫源，搅拌均匀，形成混合水分散液；第三步：将上述混合水分散液转入反应釜中，在单层MXene纳米片表面水热法生长铋基光催化纳米粒子，获得MXene/铋基光催化纳米粒子复合材料分散液；第四步：对MXene/铋基光催化纳米粒子复合材料分散液采用真空抽滤组装的方法，在多孔支撑层上制备MXene/铋基光催化复合膜，最后置于真空烘箱中干燥，即制备完成基于MXene的铋基光催化复合膜。作为上述方案的进一步说明，第一步中，所述的MXene水分散液的浓度为0.05～5mg/mL；所述还原剂为草酸、尿素和抗坏血酸钠中的任一种。作为上述方案的进一步说明，第二步中，所述铋源为五水硝酸铋、氯化铋和次枸橼酸铋中的任一种；所述硫源为二硫化碳、硫脲、硫化钠和硫代硫酸钠中的任一种。作为上述方案的进一步说明，所述铋源的浓度为0.05～6mg/mL，硫源和铋源的摩尔比例为S:Bi＝0.1～5。作为上述方案的进一步说明，第三步中，进行水热合成制备MXene/铋基光催化纳米粒子复合材料的反应温度为40～200℃，反应时间为1～20h。作为上述方案的进一步说明，第四步中，所述MXene/铋基光催化纳米粒子复合材料分散液真空抽滤的体积为2～30mL，干燥温度为40～90℃，干燥时间为0.5～12h。本专利技术的有益效果：本专利技术提供的一种基于MXene的铋基光催化复合膜，具有良好的分离性能，在保持了截留率的前提下，纯水通量较传统的聚合物膜提升2～23倍；具有优异的自清洁抗污染性能，膜对染料分子罗丹明B进行过滤实验12小时后，用模拟太阳光照对膜片上吸附的染料进行降解20分钟，膜水通量恢复率高达97.6％；本专利技术提供的一种基于MXene的铋基光催化复合膜的制备方法相对简单，成本低廉，并且节省时间，适合工业化扩大生产。附图说明图1：(a)为本专利技术对比例1制得的纯Ti3C2Tx膜扫描电镜图(b)为本专利技术实施例2制得的Ti3C2Tx/Bi2S3光催化复合膜扫描电镜图。图2：本专利技术对比例1制得的纯Ti3C2Tx膜X射线衍射分析图和本专利技术实施例2制得的Ti3C2Tx/Bi2S3复合膜X射线衍射分析图。图3：本专利技术对比例1制得的纯MXene膜和实施例2制得的Ti3C2Tx/Bi2S3复合膜的纯水通量和对染料罗丹明B的截留率。图4：本专利技术对比例1制得的纯Ti3C2Tx膜和实施例2制得的Ti3C2Tx/Bi2S3复合膜的过滤染料罗丹明B12小时，再光照20分钟后的膜水通量恢复率。图5：本实施例1中的一种基于MXene的铋基光催化复合膜结构示意图。图标记说明：1-铋基光催化纳米粒子；2-MXene纳米片；3-多孔支撑层。具体实施方式参考图5，本专利技术提供的一种基于MXene的铋基光催化复合膜，其包含MXene纳米片2、铋基光催化纳米粒子1以及多孔支撑层3，铋基光催化纳米粒子1原位生长在单层MXene纳米片2上形成MXene/铋基光催化纳米粒子复合材料，MXene/铋基光催化纳米粒子复合材料制备在多孔支撑层3上；其中铋基光催化纳米粒子1为氧化铋Bi2O3、硫化铋Bi2S3、铁酸铋BiFeO3、钒酸铋Bi2VO4、钨酸铋Bi2WO6、钼酸铋Bi2MoO6、卤氧化铋BiOX(X＝Cl，Br，I)、磷酸铋BiPO4和碳酸铋Bi2O2CO3中的任一种；MXene纳米片2为Ti2CTx、Ti3C2Tx和Nb4C3Tx中的任一种；多孔支撑层为聚醚砜超滤膜、聚砜超滤膜、聚偏氟乙烯多孔膜和氧化铝陶瓷膜中的任一种。该复合膜中铋基光催化纳米粒子对MXene纳米片进行插层，可以调控膜层间传输通道结构，提高膜水通量；另一方面，该膜中MXene具有良好的导电性，可将铋基光催化剂表面的光生电子快速导出，有效抑制光生电子-空穴对复合，提高了催化降解反应效率；并且，MXene的光热效应可增加光催化膜对可见和近红外光的吸收能力，提高膜材料表面温度，为催化反应提供能量，进一步增强铋基光催化剂的反应活性；该复合膜具有太阳能利用率高，自清洁抗污染性能好，分离性能优异等特点，其水通量为51.44Lm-2h-1bar-1，较传统的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于MXene的铋基光催化复合膜，其特征在于，包括MXene纳米片、铋基光催化纳米粒子以及多孔支撑层，所述铋基光催化纳米粒子原位生长在单层MXene纳米片上形成MXene/铋基光催化纳米粒子复合材料，所述MXene/铋基光催化纳米粒子复合材料制备在多孔支撑层上。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于MXene的铋基光催化复合膜，其特征在于，包括MXene纳米片、铋基光催化纳米粒子以及多孔支撑层，所述铋基光催化纳米粒子原位生长在单层MXene纳米片上形成MXene/铋基光催化纳米粒子复合材料，所述MXene/铋基光催化纳米粒子复合材料制备在多孔支撑层上。


2.根据权利要求1所述的一种基于MXene的铋基光催化复合膜，其特征在于，所述铋基光催化纳米粒子为Bi2O3、Bi2S3、BiFeO3、Bi2VO4、Bi2WO6、Bi2MoO6、BiOCl、BiOBr、BiOI、BiPO4、Bi2O2CO3中的任一种。


3.根据权利要求1所述的一种基于MXene的铋基光催化复合膜，其特征在于，所述MXene纳米片为Ti2CTx、Ti3C2Tx和Nb4C3Tx中的任一种。


4.根据权利要求1所述的一种基于MXene的铋基光催化复合膜，其特征在于，所述多孔支撑层为聚醚砜超滤膜、聚砜超滤膜、聚偏氟乙烯多孔膜和氧化铝陶瓷膜中的任一种。


5.一种基于MXene的铋基光催化复合膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)配置MXene水分散液，加入还原剂；
(2)在MXene水分散液中加入铋源、硫源，搅拌均匀，形成混合水分散液；
(3)将上述混合水分散液转入反应釜中，在单层MXene纳米片表面水热法生长铋基光催化纳米粒子，获得MXene/铋基光催化纳米粒子复合材料分散液；
(...

【专利技术属性】
技术研发人员：张红梨，张娜，陈卫星，杨杰，罗春燕，
申请(专利权)人：西安工业大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61