一种基于二维MXene的气体分离膜及其制备方法

技术领域

本发明属于气体分离膜技术技术领域，具体涉及一种基于二维MXene的气体分离膜及其制备方法。

背景技术

传统的工业过程中，CO

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于二维MXene的气体分离膜及其制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明提供了一种基于二维MXene的气体分离膜的制备方法，包括：

将PEGMEA、Pebax溶液、二维MXene纳米片溶液与交联剂混合后，对混合溶液进行交联反应，得到基于二维MXene的气体分离膜。

在本发明的一个实施例中，在所述混合溶液中，PEGMEA的质量百分比为20～90wt％，Pebax的质量百分比为10～70wt％，二维MXene纳米片的质量百分比为0.1～20wt％，交联剂的质量百分比为0.1～5wt％。

在本发明的一个实施例中，所述二维MXene纳米片溶液包括Ti

在本发明的一个实施例中，所述交联剂包括偶氮二异丁腈或过氧化二苯甲酰。

在本发明的一个实施例中，将PEGMEA、Pebax溶液、二维MXene纳米片溶液与交联剂混合，包括：

制备Pebax溶液；

将Pebax溶液与PEGMEA按照预设的质量百分比进行混合；

在PEGMEA与Pebax的混合溶液中加入二维MXene纳米片溶液和交联剂，搅拌混合得到所述混合溶液。

在本发明的一个实施例中，所述Pebax溶液的制备过程包括：

将Pebax颗粒在70℃～90℃下溶解在乙醇和水的混合溶剂中，得到Pebax溶液。

在本发明的一个实施例中，在乙醇和水的混合溶剂中，乙醇与水的质量比为7:3。

在本发明的一个实施例中，对混合溶液进行交联反应，得到基于二维MXene的气体分离膜，包括：

将所述混合溶液倒入模具中，依次在室温和真空干燥箱中干燥，其中，真空干燥箱的干燥温度为30℃～45℃，干燥时间为12～24小时；

将干燥后的盛有混合溶液的模具，在65-85℃的真空条件下放置1.5～3.5小时，进行交联反应；

冷却后得到基于二维MXene的气体分离膜。

本发明还提供了一种基于二维MXene的气体分离膜，根据上述任一项实施例所述的制备方法制备得到。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.本发明的基于二维MXene的气体分离膜的制备方法，一方面，利用二维MXene纳米片作为纳米填料，有利与纳米填料均匀分散在聚合物基质中；另一方面，利用PEGMEA和Pebax溶液作为聚合物基质材料，通过交联反应处理，短链的PEGMEA进行了聚合，在长链的Pebax上进行了缠绕，使得其共聚物形成了一个高度适应和坚固的基质环境，二维MXene纳米片的掺入有效增强了分离膜的性能，克服了聚合物膜存在的“trade-off”效应，同时将CO

2.本发明的基于二维MXene的气体分离膜，二维MXene纳米片上的在聚合物基质中为CO

3.本发明的基于二维MXene的气体分离膜的制备方法，操作简单、易于控制、制备成本低廉。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是本发明实施提供的一种基于二维MXene的气体分离膜的实物图；

图2是本发明实施提供的一种基于二维MXene的气体分离膜的扫描电镜图；

图3是本发明实施提供的一种MXene纳米片的透射电镜图；

图4是本发明实施提供的一种基于二维MXene的气体分离膜的傅里叶红外谱图；

图5是本发明实施提供的不同质量百分比的二维MXene纳米片负载量下气体分离膜以及其他基于二维材料的混合基质膜的性能对比图；

图6是本发明实施提供的一种基于二维MXene的气体分离膜在120小时的长期稳定性测试结果图。

具体实施方式

为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种基于二维MXene的气体分离膜及其制备方法进行详细说明。

有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。

第一方面，本发明实施例提供了一种基于二维MXene的气体分离膜的制备方法，包括：将PEGMEA、Pebax溶液、二维MXene纳米片溶液与交联剂混合后，对混合溶液进行交联反应，得到基于二维MXene的气体分离膜。

在一个可选的实施例中，在混合溶液中，PEGMEA的质量百分比为20～90wt％，Pebax的质量百分比为10～70wt％，二维MXene纳米片的质量百分比为0.1～20wt％，交联剂的质量百分比为0.1～5wt％。

在一个可选的实施例中，二维MXene纳米片溶液包括Ti

在一个可选的实施例中，交联剂包括偶氮二异丁腈或过氧化二苯甲酰。

在本实施例中，基于二维MXene的气体分离膜的制备方法具体包括以下步骤：

步骤1：制备Pebax溶液；

可选地，Pebax溶液的制备过程包括：将Pebax颗粒在70℃～90℃下溶解在乙醇和水的混合溶剂中，得到Pebax溶液，其中，在乙醇和水的混合溶剂中，乙醇与水的质量比为7:3。

步骤2：将Pebax溶液与PEGMEA按照预设的质量百分比进行混合；

步骤3：在PEGMEA与Pebax的混合溶液中加入二维MXene纳米片溶液和交联剂，搅拌混合得到混合溶液。

示例性地，以Ti

步骤a)：在9M浓度的HCl溶液中加入一定量的LiF进行搅拌；

步骤b)：在步骤a)的溶液中加入Ti

步骤c)：将步骤b)的溶液用水离心至上清液pH值大于或等于6，洗涤之后弃去上清液，收集沉淀产物；

步骤d)：将沉淀产物分散在水中，超声处理0.5～2小时得到二维MXene纳米片溶液。

制备得到的Ti

在其他实施例中，类似地也可利用刻蚀方法制备得到Ti

步骤4：将混合溶液倒入模具中，依次在室温和真空干燥箱中干燥，其中，真空干燥箱的干燥温度为30℃～45℃，干燥时间为12～24小时；

步骤5：将干燥后的盛有混合溶液的模具，在65-85℃的真空条件下放置1.5～3.5小时，进行交联反应；

步骤6：冷却后得到基于二维MXene的气体分离膜。

本发明的基于二维MXene的气体分离膜的制备方法，一方面，利用二维MXene纳米片作为纳米填料，有利于纳米填料均匀分散在聚合物基质中；另一方面，利用PEGMEA和Pebax溶液作为聚合物基质材料，通过热交联反应处理，乙烯基功能化的PEGMEA单体的原位聚合可以在热处理下启动，而侧链的甲基终止可以创建一个开放的结构，便于气体的运输。最终短链的PEGMEA进行了聚合，在长链的Pebax上进行了缠绕，使得其共聚物形成了一个半穿式网格状的结构，提供了一个高度适应和坚固的聚合物基质环境；同时，二维MXene纳米片的掺入有效增强了分离膜的性能。通过二维MXene材料的加入，为气体扩散创造了额外的通道，聚合物内的自由体积得到增强，从而大幅增强了气体的渗透性；同时二维MXene材料表面丰富的化学官能团对CO

其次，本发明的基于二维MXene的气体分离膜的制备方法，通过将二维MXene纳米片引入共聚合物膜中，并通过简单的原位热交联态，设计出具有实现高效CO

进一步地，以Ti

实施例1

步骤1)将Pebax颗粒在80℃下溶解在乙醇和水的混合溶剂中得到Pebax溶液，其中乙醇与水的质量比为7:3；

步骤2)在Pebax溶液中加入PEGMEA进行混合；

步骤3)在步骤2)的溶液中加入Ti

步骤4)将步骤3)的混合溶液倒入模具中，在室温下充分干燥后放置在真空干燥箱中，在30℃～45℃条件下干燥12～24小时；

步骤5)将步骤4)中干燥后的模具，在80℃的真空条件下放置1.5～3.5小时，进行交联反应，使聚合物充分交联；

步骤6)待冷却后将Ti

实施例2

步骤1)将Pebax颗粒在80℃下溶解在乙醇和水的混合溶剂中得到Pebax溶液，其中乙醇与水的质量比为7:3；

步骤2)在Pebax溶液中加入PEGMEA进行混合；

步骤3)在步骤2)的溶液中加入Ti

步骤4)将步骤3)的混合溶液倒入模具中，在室温下充分干燥后放置在真空干燥箱中，在30℃～45℃条件下干燥12～24小时；

步骤5)将步骤4)中干燥后的模具，在80℃的真空条件下放置1.5～3.5小时，进行交联反应，使聚合物充分交联；

步骤6)待冷却后将Ti

实施例3

步骤1)将Pebax颗粒在80℃下溶解在乙醇和水的混合溶剂中得到Pebax溶液，其中乙醇与水的质量比为7:3；

步骤2)在Pebax溶液中加入PEGMEA进行混合；

步骤3)在步骤2)的溶液中加入Ti

步骤4)将步骤3)的混合溶液倒入模具中，在室温下充分干燥后放置在真空干燥箱中，在30℃～45℃条件下干燥12～24小时；

步骤5)将步骤4)中干燥后的模具，在80℃的真空条件下放置1.5～3.5小时，进行交联反应，使聚合物充分交联；

步骤6)待冷却后将Ti

实施例4

步骤1)将Pebax颗粒在80℃下溶解在乙醇和水的混合溶剂中得到Pebax溶液，其中乙醇与水的质量比为7:3；

步骤2)在Pebax溶液中加入PEGMEA进行混合；

步骤3)在步骤2)的溶液中加入Ti

步骤4)将步骤3)的混合溶液倒入模具中，在室温下充分干燥后放置在真空干燥箱中，在30℃～45℃条件下干燥12～24小时；

步骤5)将步骤4)中干燥后的模具，在80℃的真空条件下放置1.5～3.5小时，进行交联反应，使聚合物充分交联；

步骤6)待冷却后将Ti

实施例5

步骤1)将Pebax颗粒在80℃下溶解在乙醇和水的混合溶剂中得到Pebax溶液，其中乙醇与水的质量比为7:3；

步骤2)在Pebax溶液中加入PEGMEA进行混合；

步骤3)在步骤2)的溶液中加入Ti

步骤4)将步骤3)的混合溶液倒入模具中，在室温下充分干燥后放置在真空干燥箱中，在30℃～45℃条件下干燥12～24小时；

步骤5)将步骤4)中干燥后的模具，在80℃的真空条件下放置1.5～3.5小时，进行交联反应，使聚合物充分交联；

步骤6)待冷却后将Ti

实施例6

步骤1)将Pebax颗粒在80℃下溶解在乙醇和水的混合溶剂中得到Pebax溶液，其中乙醇与水的质量比为7:3；

步骤2)在Pebax溶液中加入PEGMEA进行混合；

步骤3)在步骤2)的溶液中加入Ti

步骤4)将步骤3)的混合溶液倒入模具中，在室温下充分干燥后放置在真空干燥箱中，在30℃～45℃条件下干燥12～24小时；

步骤5)将步骤4)中干燥后的模具，在80℃的真空条件下放置1.5～3.5小时，进行交联反应，使聚合物充分交联；

步骤6)待冷却后将Ti

实施例7

步骤1)将Pebax颗粒在80℃下溶解在乙醇和水的混合溶剂中得到Pebax溶液，其中乙醇与水的质量比为7:3；

步骤2)在Pebax溶液中加入PEGMEA进行混合；

步骤3)在步骤2)的溶液中加入Ti

步骤4)将步骤3)的混合溶液倒入模具中，在室温下充分干燥后放置在真空干燥箱中，在30℃～45℃条件下干燥12～24小时；

步骤5)将步骤4)中干燥后的模具，在80℃的真空条件下放置1.5～3.5小时，进行交联反应，使聚合物充分交联；

步骤6)待冷却后将Ti

实施例8

步骤1)将Pebax颗粒在80℃下溶解在乙醇和水的混合溶剂中得到Pebax溶液，其中乙醇与水的质量比为7:3；

步骤2)在Pebax溶液中加入PEGMEA进行混合；

步骤3)在步骤2)的溶液中加入Ti

步骤4)将步骤3)的混合溶液倒入模具中，在室温下充分干燥后放置在真空干燥箱中，在30℃～45℃条件下干燥12～24小时；

步骤5)将步骤4)中干燥后的模具，在80℃的真空条件下放置1.5～3.5小时，进行交联反应，使聚合物充分交联；

步骤6)待冷却后将Ti

对实施例6的基于二维MXene的气体分离膜进行分析，如图1所示的基于二维MXene的气体分离膜的实物图，从图中可以看出，实物图呈现均匀的黑色状态，证明MXene纳米片均匀分散在聚合物基质中。如图2所示的基于二维MXene的气体分离膜的扫描电镜图，可以看出，MXene纳米填料均匀分散在聚合物基质中，证明了MXene和聚合物基质良好的兼容性。如图4所示的基于二维MXene的气体分离膜的傅里叶红外谱图，从图中可以看出混合基质膜中丰富的官能团(-OH、-COOH等)，有利于对CO

请参见图5，图5是本发明实施提供的不同质量百分比(0.2～10wt％)的二维MXene纳米片负载量下气体分离膜以及其他基于二维材料的混合基质膜的性能对比图。从图中可以看出，二维MXene纳米片的质量百分比为1wt％的气体分离膜，其CO

如图6所示，是实施例6的基于二维MXene的气体分离膜在120小时的长期稳定性测试结果，从图中可以看出其具有良好的长期稳定性，适合应用在实际工业流程中。

将本发明实施例6的基于二维MXene的气体分离膜与已报道的基于二维材料的混合基质膜的CO

表1本发明与已报道的基于二维材料的混合基质膜的CO

上述实验结果表明，在本发明的基于二维MXene的气体分离膜中，二维MXene纳米片的精细分散扩展了纳米复合膜的自由体积，显著提高了CO

第二方面，本发明实施例提供了一种基于二维MXene的气体分离膜，该基于二维MXene的气体分离膜利用第一方法提供的基于二维MXene的气体分离膜的制备方法得到，本发明实施例的基于二维MXene的气体分离膜，二维MXene纳米片上的在聚合物基质中为CO

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。