一种光催化MXene复合膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种光催化MXene复合膜及其制备方法，通过低温化学改性方法并利用CTAB来修饰Bi2O2CO3纳米颗粒，制备出N

【技术实现步骤摘要】
一种光催化MXene复合膜及其制备方法


[0001]本专利技术属于膜材料及膜制备
，涉及一种光催化MXene复合膜的制备方法以及采用该制备方法制得的光催化MXene复合膜。

技术介绍

[0002]工业废水是指工业生产过程中产生的废水和废液，其污染物种类繁多且成分复杂(常见如油污、染料、重金属和微生物等)，若在排放前不加以有效处理，将对周围生态环境和人类健康构成了巨大的威胁。膜分离技术具有分离效率高和环境友好等特点，目前已在工业废水处理等领域得到了广泛的应用。膜材料是膜分离技术的关键，是膜技术产业化的核心部件。传统的膜材料抗污染性能差，且渗透通量和截留率之间存在着相互制约的关系。因此，开发既要有较高的选择性和渗透通量，又要有较好的抗污染性的新型膜材料具有重大的意义。
[0003]MXene(Ti3C2T
x
)是一种新型的二维过渡金属碳化物或碳氮化物，一般是通过化学刻蚀等方法选择性去掉MAX相(Ti3AlC2)中的A原子层而制备的。MXene的化学通式可表示为M
n+1
X
n
T
x
(其中M为早期过渡金属元素，X代表碳或氮元素，T则为表面附着的活性基团)。MXene具有比表面积高的特性，其层间距和组分可调控，表面丰富的
‑
OH、
‑
O等亲水性官能团，使得其在水溶液中能够良好的分散。以MXene为基质构建的纳米复合膜，具有很强的可塑性和柔韧性。2015年，MXene二维材料的发现者Yury Gogotsi教授课题组首次报道了MXene膜的制备及应用，打开了MXene材料通往膜分离世界的大门。他们发现微米厚度的MXene膜比GO膜亲水性更强，水分子的渗透过程更加迅速，且在电荷效应和层间距(约)的作用下，MXene膜展现出了更高的截留率和选择性。此外，华南理工大学王海辉教授课题组通过真空抽滤的方法在阳极氧化铝(AAO)基材上构筑出二维MXene膜，并采用氢氧化铁纳米颗粒对其进行造孔处理。他们构筑的膜渗透通量高达1000L/(m2·
h
·
bar)，对水中粒径大于2.5nm的污染物截留率超过90％。这项研究为制备兼具高渗透通量和选择性的MXene膜提供了良好的思路。由此可见，二维材料MXene在膜分离材料构建领域具有广阔的理论研究和实际废水处理前景。
[0004]在二维MXene/聚醚砜(PES)复合膜的制备中，Zhangshouhai课题组曾报道了新的MXene/聚醚砜(PES)复合膜的制备。他们首先采用氢氟酸(HF)对MAX相(Ti3AlC2)进行处理，剥离出其中的Al原子层，从而得到一种新型二维过渡金属碳化物MXene(Ti3C2T
x
)片层材料。随后，他们以截留分子量(MWCO)为10000道尔顿的聚醚砜(PES)超滤膜作为支撑层，采用真空抽滤的方法将MXene分散液抽滤到PES基材上，制备出了新型的MXene/PES复合膜，并探究了新型膜的亲水性、渗透通量、截留能力等性能。结果发现复合膜的亲水性得以增强，并对水中染料分子和盐离子有良好的去除效果。但是该方法却存在如下缺陷：
①
采用HF溶剂刻蚀处理，可以有效地从MAX相中剥离得到片层结构清晰的MXene材料。然而，用以充当膜分离层的MXene通常是单层或者少层的，因此HF刻蚀制备的MXene材料容易导致膜分离机理不明确，堆积结构不紧密、易脱落等缺点。
②
MXene分离层的厚度太厚。该技术显示最适宜的
MXene含量为0.2g，这显然导致MXene分离层太厚，膜分离层易发生溶胀脱落坍塌，不具有实际水处理价值，且无法判定MXene对水中污染物分子进行分离的分离机理。
③
MXene其本身表面的官能团较单一，单纯的MXene/PES复合膜性能还有待进一步提高，其复合膜对盐离子的截留率很低，仅有10％左右，因此需要对MXene进行微观调控。
[0005]在表面N掺杂Bi2O2CO3纳米片的制备中，Zhouying课题组曾报道了一种表面N掺杂Bi2O2CO3(BOC)纳米片的制备。他们利用一种简便的室温化学方法制备出了BOC，并且通过表面活性剂CTAB与BOC纳米片之间强烈的相互作用，改变了材料的表面性质，使得CTAB中的N原子结合在BOC表面，合成了Bi2O2CO3‑
CTAB(BOC
‑
CTAB)纳米片。其研究表明，CTAB的加入并没有改变BOC宏观上二维纳米片的结构特点，但纳米片的厚度从约40nm降低到约10nm，比表面积从7.9m2/g提高到17.1m2/g。此外，紫外光谱显示结果表明，CTAB引入的N掺杂提高了BOC在可见光区的吸光能力，并最终提高了BOC在可见光下的催化活性。而该技术也同样存在一些难以克服的缺陷：
①
该技术只具有光催化能力，并非本专利技术是基于光催化技术与膜分离技术的耦合。光催化剂N
‑
BOC粉末在被降解的染料中容易团聚，光降解过程中会导致比表面积减少，削弱催化效果。
②
光催化材料本身不易分离回收，容易对被降解物造成二次污染，也无法实现光催化剂的二次利用，在实际应用过程中达不到理想的效果。
③
粉末光催化剂主要以处理单一污染物为主，对复杂水环境的多种污染物的处理还有待研究。
[0006]基于上述分析，一种结构稳定、高渗透通量等综合性能全面的新型自清洁光催化MXene复合膜及其制备方法是目前行业内急需的。

技术实现思路

[0007]鉴于上述不足，本专利技术提供了一种全新的具备自清洁能力光催化膜材料，为进一步拓宽MXene的使用范围、开发和构筑更多新型高性能膜材料提供一些借鉴意义。
[0008]本专利技术通过低温化学改性方法并利用CTAB来修饰Bi2O2CO3纳米颗粒，制备出N
‑
Bi2O2CO3；通过LiF和HCl混合溶液对MAX进行剥离，得到片层结构清晰的二维MXene材料；将MXene分散溶液和N
‑
Bi2O2CO3分散溶液超声混合，通过真空抽滤的方式在PES膜基材上构建出N
‑
Bi2O2CO3@MXene复合膜，将其用于工业废水中染料的处理和油水分离。
[0009]本专利技术是通过如下手段实现的：
[0010]一种光催化MXene复合膜的制备方法，包括：
[0011](1)MXene的制备：采用LiF+HCl混合试剂刻蚀MAX相，超声辅助剥离制备MXene二维材料，具体：
[0012]①
将0.5g LiF溶解于15mL 12M HCl溶液中，并将0.5g Ti3AlC2粉末添加到溶液中，在30℃下磁力搅拌20h，随后使用去离子水(DI)洗涤多次，直至溶液上清液pH为6；
[0013]②
在3500rpm下离心数次后，收集上清液以获得多层Ti3C2T
X
纳米片；将上清液在200mL去离子水中超声处理6h后，将分散液本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光催化MXene复合膜的制备方法，包括：采用LiF+HCl混合试剂刻蚀MAX相，超声辅助剥离制备MXene二维材料；通过低温化学方法并利用CTAB来修饰Bi2O2CO3(BOC)纳米颗粒，制备N
‑
Bi2O2CO3(N
‑
BOC)；以及自清洁光催化MXene复合膜的构筑。2.根据权利要求1所述的制备方法，其中：所述MXene二维材料由如下方法制得：
①
将0.5g LiF溶解于15mL 12M HCl溶液中，并将0.5g Ti3AlC2粉末添加到溶液中，磁力搅拌，随后使用去离子水洗涤，直至溶液上清液pH为6；
②
在3500rpm下离心，收集上清液获得多层Ti3C2T
X
纳米片；将上清液在200mL去离子水中超声处理，将分散液离心处理30min后，收集单层MXene纳米片并冷冻干燥保存。3.根据权利要求2所述的制备方法，其中：步骤
①
所述磁力搅拌温度为30℃，搅拌时间为20h。4.根据权利要求2所述的制备方法，其中：步骤
②
所述超声处理时间为6h。5.根据权利要求1所述的制备方法，其中：所述N
‑
Bi2O2CO3(N
‑
BOC)由如下方法制得：
①
称取9.7g Bi(NO3)3·
5H2O分散在20mL ...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾广勇，杨朝美，何桢桢，林清泉，诸葛福瑜，程晓婕，赵梓俨，李伟，
申请(专利权)人：成都理工大学，
类型：发明
国别省市：