一种高性能的MXene@PEI/IL膜的制备方法

技术领域

本发明涉及复合材料技术领域和涂层技术领域，尤其涉及一种高性能的MXene@PEI/IL膜的制备方法。

背景技术

随着经济的快速发展和对能源需求的不断增加，大气中二氧化碳(CO

在传统的CO

MXene又被称为“类氧化石墨烯”，是一类具有二维层状结构的金属碳化物和金属氮化物。MXene表面丰富的官能团赋予MXene具有高的表面积、生物相容性、亲水性、低扩散阻力、活化的金属氢氧化物位点、优异的电导率。MXene材料层流状的结构和表面丰富的官能团，使其成为二维纳米材料领域的新星。MXene的层状结构赋予了二维MXene膜具有特殊的质量传输通道，这使气体分子和其他小分子可在层状结构中快速移动。

此外，离子液体（IL）是由有机阳离子和无机或有机阴离子组成的盐，在室温下呈液态。IL具有挥发性低、热稳定性好、理化可调等优良性能，是一种很有潜力的气体分离材料。IL具有较高的CO

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种制备过程简单、易于实现的高性能的MXene@PEI/IL膜的制备方法。

为解决上述问题，本发明所述的一种高性能的MXene@PEI/IL膜的制备方法，包括以下步骤：

⑴采用原位蚀刻法制备二维层状Ti

将LiF和浓度为8M 的HCl按1：11~12.5的质量体积比加入到磁搅拌的PTFE烧杯中；然后把MAX粉末缓慢加入到含有上述混合溶液的PTFE烧杯中，在45℃恒温下搅拌24h后进行离心，得到沉淀物；所述沉淀物洗涤数次直至pH>7为止；最后，对所得沉淀物经超声剥离、离心，即得单层的二维Ti

⑵将浓度为1mg/mL的MXene纳米片溶液和质量分数为3.5wt%的PEI溶液相互混合，在氩气保护环境中磁搅拌30min，即得混合溶液；

⑶所述混合溶液通过真空过滤装置抽滤在聚四氟乙烯（PTFE）滤膜上，并在室温下干燥2~8h，即得MXene@PEI膜；

⑷利用旋涂机将不同浓度的离子液体IL旋涂在所述MXene@PEI膜的上表面，先在室温下干燥8小时，再在45°C的真空烘箱中干燥24小时，即得一系列MXene@PEI/IL膜。

所述步骤⑵中浓度为1mg/mL的MXene纳米片溶液是指将MXene纳米片与去离子水按1：3的质量比混合均匀所得的溶液。

所述步骤⑵中质量分数为3.5wt%的PEI溶液是指将PEI与去离子水按1：7的质量比混合均匀所得的溶液。

所述步骤⑵中MXene纳米片溶液与PEI溶液的质量比为3：2~7。

所述步骤⑶中PTFE滤膜的厚度为50mm，孔径为0.22um。

所述步骤⑷中MXene@PEI膜与离子液体IL的质量比为1：1.2~1：2.1。

所述步骤⑷中离子液体IL是指1-乙烯基-3-乙基咪唑四氟硼酸盐。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明先用PEI修饰MXene的表面，提高MXene的相容性，之后将MXene@PEI溶液通过真空抽滤装置抽滤在PTFE滤膜上，最后通过旋涂机将不同浓度的IL旋涂在MXene@PEI膜上表面，经干燥即得高性能的MXene@PEI/IL膜。

图1a为单层MXene纳米片抽滤膜，可以看出表面有很多褶皱。这是由于MXene纳米片的快速组装和PTFE基板相对粗糙的表面造成的。在MXene膜的截面扫描电镜上也可以观察到MXene纳米片具有层状结构。另外，MXene@PEI膜的上表面比较光滑(图1b)，这可能是由于在MXene褶皱的低洼处被PEI填充了，膜厚度基本保持不变。之后旋涂不同浓度的IL，随着旋涂IL浓度的增加，MXene纳米片的间距明显增加，膜的上表面变得光滑致密，但仍然可以观察到MXene的层状结构(图1c、d、e、f分别表示旋涂IL浓度为20wt%、25wt%、30wt%和35wt%)。层状结构在分离过程中为气体分子的通过提供了选择性通道，此外，由于IL对CO

2、与其他已报道的气体分离膜相比，本发明所得MXene@PEI/IL膜的气体渗透率高，并具优异的热稳定性和持久性，可广泛应用于分离天然气和烟道气中的CO

3、本发明制备过程简单、易于实现。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为单层MXene纳米片滤膜和本发明制备的MXene@PEI/IL膜的上表面和截面的SEM及EDS图。

图2为本发明中不同IL负载量的MXene@PEI/IL膜对混合气体CO

图3为本发明中IL负载量为25wt%的MXene@PEI/IL膜在不同温度下对混合气体CO

图4为本发明中IL负载量为25wt%的MXene@PEI/IL膜在连续测试下对混合气体CO

图5为本发明中IL负载量为25wt%的MXene@PEI/IL膜与其他已报道的气体分离膜进行分离性能比较。

具体实施方式

一种高性能的MXene@PEI/IL膜的制备方法，包括以下步骤：

⑴采用原位蚀刻法制备二维层状Ti

将LiF和浓度为8M 的HCl按1：11~12.5的质量体积比（g/ml）加入到磁搅拌的PTFE烧杯中；然后把MAX粉末缓慢加入到含有上述混合溶液的PTFE烧杯中，MAX粉末与LiF的质量比（g/g）为1：1.8。在45℃恒温下搅拌24h后进行离心，得到沉淀物；沉淀物先用1 M HCl洗涤数次，再用去离子水洗涤数次直至pH>7为止；最后，对所得沉淀物经超声剥离、离心，即得单层的二维Ti

⑵将浓度为1mg/mL的MXene纳米片溶液和质量分数为3.5 wt%的PEI溶液按3：2~7的质量比（g/g）相互混合，在氩气保护环境中磁搅拌30min，即得混合溶液。

其中：浓度为1mg/mL的MXene纳米片溶液是指将MXene纳米片与去离子水按1：3的质量比（g/g）混合均匀所得的溶液。

质量分数为3.5wt%的PEI溶液是指将PEI与去离子水按1：7的质量比（g/g）混合均匀所得的溶液。

⑶混合溶液通过真空过滤装置抽滤在厚度为50mm、孔径为0.22um的PTFE滤膜上，并在室温下干燥2~8h，即得MXene@PEI膜。

⑷利用旋涂机将不同浓度的离子液体IL旋涂在MXene@PEI膜的上表面，MXene@PEI膜与离子液体IL的质量比（g/g）为1：1.2~1：2.1。先在室温下干燥8小时，再在45°C的真空烘箱中干燥24小时，即得一系列MXene@PEI/IL膜。

其中：离子液体IL是指1-乙烯基-3-乙基咪唑四氟硼酸盐。

实施例1 一种高性能的MXene@PEI/IL膜的制备方法，包括以下步骤：

⑴采用原位蚀刻法制备单层的二维MXene纳米片：

将1.6g LiF溶解在装有20mL HCl (8M)的PTFE烧杯中，磁搅拌5min；然后把1g MAX粉末缓慢加入到含有上述混合溶液的PTFE烧杯中，在45℃恒温下搅拌24h后3500r/min离心，得到沉淀物；沉淀物先用1 M HCl洗涤数次，再用去离子水洗涤数次，直至pH>7为止；最后，对所得沉淀物在氩气保护下超声20 min进行剥离，经3500 r/min离心1 h，即得单层的二维MXene纳米片。

⑵将3mL 浓度为1mg/mL 的单层的二维MXene纳米片溶液和2mL质量浓度为 3.5wt%的 PEI溶液相互混合，在氩气保护环境中磁搅拌30min，利用分子之间的相互作用使MXene纳米片表面具有不同的电荷，对MXene纳米片表面进行修饰，即得混合溶液。

⑶混合溶液通过真空过滤装置抽滤在厚度为50 mm、孔径为0.22um的PTFE滤膜上，并在室温下干燥8h，即得MXene@PEI膜。

⑷利用旋涂机将2mL不同浓度的离子液体IL (20wt%，25wt%，30wt%，35wt%)旋涂在MXene@PEI膜的上表面，以1000 rpm旋涂10 s，并以3000 rpm干燥20 s。旋涂IL能够增加滤膜对CO

【不同IL负载量对MXene@PEI/IL膜分离性能测试】

将实施例1制备的不同IL负载量的MXene@PEI/IL膜水平铺在气体渗透测试仪上，，在25℃、1bar的条件下，用真空泵使膜两侧产生压力差，在真空泵的作用下使下腔为真空，在压力的推动下使混合气体CO

测试结果：上述制备的MXene@PEI/IL膜在混合气CO

高的渗透性和选择性是由于二维层状MXene纳米片为气体分离提供纳流通道，有利于气体分子的运输，其次，IL对CO

【以IL负载量为25wt%的MXene@PEI/IL膜为例来进行气体分离的热稳定性测试】

将实施例1制备的IL负载量25wt%的MXene@PEI/IL膜在压力为1bar、25℃~55℃条件下，测试不同温度下MXene@PEI/IL膜的分离性能。

测试结果：上述制备的IL负载量为25wt%的MXene@PEI/IL膜在混合气CO

温度升高不仅加速了气体分子的动态扩散，导致渗透增强，而且有利于N

综上所述，在不同的温度测试下，MXene@PEI/IL膜的渗透性和选择性略微改变，说明制备的MXene@PEI/IL膜具有良好的热稳定性。

【以IL负载量为25wt%的MXene@PEI/IL膜为例来进行气体分离的持久性测试】

将实施例1制备的IL负载量25wt%的MXene@PEI/IL膜放在气体渗透仪上，在25℃、1bar的测试条件下，测试持续50h下MXene@PEI/IL膜的分离性能。

测试结果：上述制备的IL负载量为25wt%的MXene@PEI/IL膜在混合气CO

【以IL负载量为25wt%的MXene@PEI/IL膜为例来进行气体分离的性能比较】

将实施例1制备的IL负载量25wt%的MXene@PEI/IL膜在25℃，1bar的条件与已报道的其他气体分离膜进行性能比较。

测试结果：上述制备的IL负载量为25wt%的MXene@PEI/IL膜在混合气CO