一种管式二维MXene膜及其制备方法与在气体分离中的应用技术

本发明专利技术公开了一种管式二维MXene膜及其制备方法与在气体分离中的应用。所述制备方法，包括以下步骤：(1)将多孔基底进行预处理；(2)合成二维MXene纳米片溶液，并制备电泳沉积实验装置；(3)将预处理过的多孔基底放置于自制的电泳沉积实验装置中制备管式二维MXene膜初产品；(4)将步骤(3)中制备的管式二维MXene膜初产品进行干燥和活化处理，得到成品管式二维MXene膜。本发明专利技术所述制备方法简单高效，成本低廉，可重复性高，易于大规模制备。本发明专利技术制备的管式二维MXene膜对H2/CO2的分离展现出较高的选择性和良好的水热稳定性，在气体分离领域中具有较好的工业放大应用潜力。具有较好的工业放大应用潜力。具有较好的工业放大应用潜力。

【技术实现步骤摘要】
一种管式二维MXene膜及其制备方法与在气体分离中的应用


[0001]本专利技术属于二维纳米膜制备技术及气体分离
，具体涉及一种管式二维MXene膜及其制备方法与在气体分离中的应用。

技术介绍

[0002]众所周知，氢气是世界上最绿色环保的清洁燃料之一，它可以取代传统的化石能源，以减少温室气体过度排放造成的环境污染问题。目前工业上氢气分离纯化工艺主要是变压吸附和低温精馏工艺，这些工艺过程不仅操作相对复杂，而且还消耗了巨大的能量。近年来，随着膜分离技术的发展，具有分离效率高、运行能耗低、操作弹性大等优点的膜分离技术逐渐应用于气体分离领域，表现出良好的应用前景。然而，传统聚合物分离膜普遍存在渗透性和选择性此消彼长的trade
‑
off效应，两者无法同时兼得。基于新型二维材料的分离膜，由于其组装单元尺寸/理化性质及层间距均可分别调控，从而实现渗透性和选择性的各自优化，有望突破传统聚合物膜分离上限的瓶颈限制。
[0003]二维过渡金属碳化物/氮化物(简称MXene)，是一种年轻的二维材料家族，其通用公式为M
n+1
X
n
T
x
(n＝1，2，3或4)，其中M代表过渡金属(如Ti、V、Mo和Cr)，X代表碳和/或氮，T代表官能团(如O、F、OH、Cl)。由于MXene材料具有高横纵比、良好的机械强度和柔韧性、且具备均一的自由层间距空腔0.35nm，使其应用在气体分离领域中成为了可能，是一种优越的基于尺寸筛分的膜材料。虽然二维MXene膜在气体分离领域已有报道，但是大部分研究是在片状的阳极氧化铝AAO或α
‑
Al2O3等易碎基底上进行的，具有不可放大性，例如文献报道[Shen J,Liu GZ,Ji YF,et al.2D MXene nanofilms with tunable gas transport channels.Adv Funct Mater.2018；28(31):1801511.],然而，在实际工业应用中更多的是使用管式基底膜，它具有占地体积小，单位体积的膜面积大等优点，但是目前的二维膜制作方法只局限于抽滤、旋涂、滴涂、浸渍等方法，存在制备膜的方法单一、制膜重复性差、制膜效率低等问题，抽滤法制备的膜可能花费要几个小时、甚至十几个小时不等，制膜效率太低，正如文献所述[Qu K,Dai LH,Xia YS,et al.Self
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crosslinked MXene hollow fiber membranes for H2/CO
2 separation.JMembr Sci.2021；638:119669.],同时由于管式膜存在曲率的问题，制备过程中更容易造成缺陷，制备性能良好的二维膜难度就更大，所以如何高效制备出具有高选择性、渗透性和稳定性的管式二维MXene膜成为了研究亟需解决的问题。

技术实现思路

[0004]为了有效解决管式二维MXene膜在实际应用中制备过程耗时长、膜性能选择性、渗透性、稳定性不高的问题，本专利技术的首要目的在于提供一种管式二维MXene膜的制备方法，该制备方法简单高效，成本低廉，可重复性高，只需经过2～10分钟即可在多孔基底上生长出一层厚度约200～1000nm的MXene致密膜，适用于大规模生产。
[0005]本专利技术的第二目的在于提供上述制备方法制备的管式二维MXene膜。
[0006]本专利技术的第三目的还在于提供所述的一种管式二维MXene膜在气体分离中的应用，具体应用于氢气与不同动力学直径及特征的气体分子的分离。
[0007]本专利技术的首要目的通过以下技术方案实现：
[0008]一种管式二维MXene膜的制备方法，包括以下步骤：
[0009](1)将多孔基底进行预处理，先将多孔基底进行打磨处理，再分别使用表面清洗剂、无水乙醇和去离子水进行超声清洗，并抽涂超声后的碳纳米管CNTs溶液以修饰和填补多孔基底表面的孔洞；
[0010](2)合成二维MXene纳米片溶液，并制备电泳沉积实验装置；
[0011](3)将步骤(1)预处理过的多孔基底放置于自制的电泳沉积实验装置中制备管式二维MXene膜初产品；
[0012](4)将步骤(3)中制备的管式二维MXene膜初产品进行干燥和活化处理，得到成品管式二维MXene膜。
[0013]优选地，步骤(1)中所述的多孔基底为多孔不锈钢管、多孔不锈钢网、不锈钢中空纤维、多孔镍网、多孔铜网、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚酰胺(PA)、聚醚砜(PES)、磺化聚醚砜(SPES)、聚砜(PSF)或磺化聚砜(SPSF)中的一种。
[0014]优选地，步骤(1)中所述多孔基底、表面清洗剂、无水乙醇和去离子水质量体积比为1g:10～30ml:10～25ml:10～25ml，超声清洗次数为1～5次，超声清洗的频率为20～100kHz，超声时间为10～60min；碳纳米管溶液浓度为0.01～0.05mg/ml，抽滤次数为1～4次。
[0015]优选地，步骤(2)中所述的合成二维MXene纳米片溶液的具体步骤为将原料MAX、LiF和高浓度盐酸溶液按照质量体积比为0.5～3.0g：1.0～5.0g：30～80ml混合，磁力搅拌，反应合成二维MXene纳米片溶液；所述合成温度为25～70℃，磁力搅拌速度20～50r/min，合成反应时间为20～48h。
[0016]优选地，步骤(3)中所述电泳沉积实验装置中二维MXene纳米片溶液质量浓度为0.1～2.0mg/ml，电压为1～30V,电流为0.001～0.010A，电泳时间为0.5～10min。
[0017]优选地，步骤(4)中所述二维MXene膜的干燥方式为自然通风干燥、常温真空干燥或低温真空干燥，干燥的温度为25～100℃，干燥时长6～48h，活化的方式为真空活化或通气活化，活化温度为50～120℃，活化时长为6～24h。
[0018]本专利技术的第二目的通过以下技术方案实现：
[0019]一种根据上述制备方法制备得到的管式二维MXene膜。
[0020]优选地，所述管式二维MXene膜的厚度为200～1000nm。
[0021]本专利技术的第三目的通过以下技术方案实现：
[0022]一种管式二维MXene膜在气体分离中的应用。
[0023]具体地，将管式二维MXene膜组装到自制不锈钢气体膜分离器中进行气体分离测试。
[0024]优选地，所述分离气体的种类为氢气(H2，0.29nm)、二氧化碳(CO2，0.33nm)、氮气(N2，0.36nm)、甲烷(CH4，0.38nm)、乙烯(C2H4，0.39nm)、丙烯(C3H6，0.40nm)、乙烷(C2H6，0.42nm)、丙烷(C3H8，0.43nm)中的一种或两种；当选择两种组份分离气体时，分离气体体积比为1:1，总流速为50～200ml，吹扫气为氩气(Ar)、氦气(He)、甲烷(CH4)中的一种，总流速
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种管式二维MXene膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将多孔基底进行预处理，先将多孔基底进行打磨处理，再分别使用表面清洗剂、无水乙醇和去离子水进行超声清洗，并抽涂超声后的碳纳米管CNTs溶液以修饰和填补多孔基底表面的孔洞；(2)合成二维MXene纳米片溶液，并制备电泳沉积实验装置；(3)将步骤(1)预处理过的多孔基底放置于自制的电泳沉积实验装置中制备管式二维MXene膜初产品；(4)将步骤(3)中制备的管式二维MXene膜初产品进行干燥和活化处理，得到成品管式二维MXene膜。2.根据权利要求1所述的管式二维MXene膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述的多孔基底为多孔不锈钢管、多孔不锈钢网、不锈钢中空纤维、多孔镍网、多孔铜网、聚偏氟乙烯、聚酰胺、聚醚砜、磺化聚醚砜、聚砜或磺化聚砜中的一种。3.根据权利要求1所述的管式二维MXene膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述多孔基底、表面清洗剂、无水乙醇和去离子水质量体积比为1g:10～30ml:10～25ml:10～25ml，超声清洗次数为1～5次，超声清洗的频率为20～100kHz，超声时间为10～60min；碳纳米管溶液浓度为0.01～0.05mg/ml，抽滤次数为1～4次。4.根据权利要求1所述的管式二维MXene膜的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述的合成二维MXene纳米片溶液的具体步骤为将原料MAX、LiF和高浓度盐酸溶液按照质量体积比为0.5～3.0g：1.0～5.0g：30～80ml混合，磁...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏嫣莹，罗米得，李理波，卢纵，王宇飞，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：