一种高性能的MXene@PEI/IL膜的制备方法与流程

本发明涉及复合材料和涂层，尤其涉及一种高性能的mxene@pei/il膜的制备方法。

背景技术：

1、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(co2)的浓度显著增加，这已成为全球关注的主要问题之一。无论是现在还是将来，天然气都将是全球能源的主要来源。然而，天然气中的co2会腐蚀天然气管道，降低燃烧值，增加压缩成本等。因此，迫切需要开发一种有效的方法来降低燃气和天然气中co2的浓度。

2、在传统的co2分离方法中，胺基溶剂是一种成熟的co2捕获技术，但它存在显著的缺点，如能源成本高和潜在的环境风险。与传统的胺基溶剂吸收分离方法相比，膜分离具有低成本、无相变和环境友好的特点，被广泛应用于气体混合物中co2的去除，在大规模处理天然气和烟道气中的co2有着广阔的应用前景。

3、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。

4、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co2溶解度，且几乎没有蒸气压，可显著提高co2的渗透性，这是由于il具有较强的界面亲和性，并能防止膜中非选择性空洞的形成。因此，通过一定的方式将mxene与il相结合，使二维mxene纳米片提供的纳米通道和具有亲co2的il所形成的膜具有更加优异的性能，有利于用于消除天然气和烟道气中的co2。

技术实现思路

1、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。

2、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：

3、⑴采用原位蚀刻法制备二维层状ti3c2txmxene纳米片：

4、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ti3c2txmxene纳米片溶液；所述max粉末与所述lif的质量比为1：1.8；

5、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；

6、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；

7、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。

8、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。

9、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。

10、所述步骤⑵中mxene纳米片溶液与pei溶液的质量比为3：2~7。

11、所述步骤⑶中ptfe滤膜的厚度为50mm，孔径为0.22um。

12、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。

13、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。

14、本发明与现有技术相比具有以下优点：

15、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。

16、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co2的亲和性和层状结构的mxene纳米片提供的纳流通道的扩散作用，实现了对co2的高渗透和对co2/n2和co2/ch4的高选择性。从图1d截面对应eds图中可以看出，元素ti、f、n、o在选择层中分布均匀。这说明mxene纳米片与pei和il具有良好的相容性。

17、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co2气体。

18、3、本发明制备过程简单、易于实现。

技术特征：

1.一种高性能的mxene@pei/il膜的制备方法，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种高性能的mxene@pei/il膜的制备方法，其特征在于：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。

3.如权利要求1所述的一种高性能的mxene@pei/il膜的制备方法，其特征在于：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。

4.如权利要求1所述的一种高性能的mxene@pei/il膜的制备方法，其特征在于：所述步骤⑵中mxene纳米片溶液与pei溶液的质量比为3：2~7。

5.如权利要求1所述的一种高性能的mxene@pei/il膜的制备方法，其特征在于：所述步骤⑶中ptfe滤膜的厚度为50mm，孔径为0.22um。

6.如权利要求1所述的一种高性能的mxene@pei/il膜的制备方法，其特征在于：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。

7.如权利要求1所述的一种高性能的mxene@pei/il膜的制备方法，其特征在于：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。

技术总结
本发明涉及一种高性能的MXene@PEI/IL膜的制备方法，该方法包括以下步骤：⑴采用原位蚀刻法制备二维层状Ti<subgt;3</subgt;C<subgt;2</subgt;T<subgt;x</subgt; MXene纳米片：将LiF和HCl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；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<subgt;3</subgt;C<subgt;2</subgt;T<subgt;x</subgt; MXene纳米片溶液；⑵将MXene纳米片溶液和PEI溶液相互混合，在氩气保护环境中磁搅拌，即得混合溶液；⑶混合溶液通过真空过滤装置抽滤在聚四氟乙烯滤膜上，并在室温下干燥，即得MXene@PEI膜；⑷将不同浓度的离子液体IL旋涂在MXene@PEI膜的上表面，干燥后即得一系列MXene@PEI/IL膜。本发明制备过程简单，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。

技术研发人员：骆文佳,李瓛,牛振华,李健,张析,王进龙,周涛
受保护的技术使用者：西北矿冶研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12