一种基于微通道纺膜的MXene/BC纳米膜及其制备方法与应用

本发明涉及渗透能转化，尤其涉及一种基于微通道纺膜的mxene/bc纳米膜及其制备方法与应用。

背景技术：

1、随着全球人口的增长和经济的发展，能源需求不断增加，传统的能源来源如煤炭、石油和天然气等化石燃料已经不能满足全球的能源需求，因此需要寻找可再生且环保的能源。海洋是地球上最大的水体，拥有丰富的资源，包括海水、海洋能、海底矿产等。利用海水与河水的浓度差进行渗透能发电，可以充分利用海洋资源，为人类提供一种可持续的能源来源。

2、利用高离子选择性膜的反向电渗析作用可将渗透能转化为电能并加以利用。渗透能作为一种新型绿色可再生能源近年来很受人们关注。渗透能发电的瓶颈在于如何将高的离子选择性与高的离子通量相结合并保证在海水中有长期耐用性。目前工业化生产和实验研究中常用的材料有多种，例如带电荷的石墨烯、mxene、二硫化钼和生物质二维材料等。

3、作为近些年来一种火热的二维无机化合物，mxene是由约1nm厚度的过渡金属氮化物、碳化物组成的手风琴状多层材料。因其纳米片层表面含有大量羟基或者末端氧，mxene被广泛应用在超级电容器、电池、电磁屏蔽干扰等领域。mxene拥有丰富的表面电荷，因此，利用mxene制备的材料具有较高的离子选择性。调节mxene片层之间的层间距可以有效调控离子通量，使其满足高离子通量与高离子选择相结合。纤维素含有大量羟基，通过tempo氧化可以让纤维素6号位羟基氧化成羧基，大大提高纤维素的电荷性。细菌纤维素(bc)相较于普通纤维素拥有较为复杂的空间网络结构，氧化后的bc呈现出一种带有大量负电荷的空间网状形态，有较好的离子选择性。将bc插入到mxene层之间，可以较好地调节mxene的层间距，在保证离子选择性的同时大大提高了离子通量。

4、常见的mxene/bc复合膜的制备方法有真空抽滤、延压成膜、冷冻铸造等。但无论是真空抽滤还是冷冻铸造，都无法同时保证膜的高通量和高选择性，结构的均一性也很难保证，导致在河水与海水浓度差下输出功率很难超过商用标准(5w/m2)。因此，开发出一种结构规整、高取向mxene/bc复合膜的制备方法是目前主要的研究方向。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于微通道纺膜的mxene/bc纳米膜及其制备方法与应用，解决现有mxene/bc复合膜结构不均一、取向度较差与膜通量较低，导致输出功率过低的问题。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供了一种基于微通道纺膜的mxene/bc纳米膜的制备方法，包括以下步骤：

4、(1)配制mxene溶液；

5、将细菌纤维素、tempo、nabr、次氯酸钠与水混合，调整ph后进行氧化反应，然后均质，得到bc悬浮液；

6、(2)将mxene溶液与bc悬浮液混合，得到mxene/bc混合液；

7、(3)采用微通道纺膜的方式，将mxene/bc混合液与戊二醛溶液分别流入、共同流出，凝固，得到mxene/bc纳米膜；

8、所述微通道纺膜的通道口的长宽比为4～8mm：1～2mm。

9、优选的，在所述一种基于微通道纺膜的mxene/bc纳米膜的制备方法中，步骤(1)所述配制mxene溶液的方法包括以下步骤：氟化锂、盐酸与ti3alc2混合反应，离心洗涤，得到mxene溶液。

10、优选的，在所述一种基于微通道纺膜的mxene/bc纳米膜的制备方法中，步骤(1)所述氧化反应的时间为3～12h，步骤(1)所述氧化反应的温度为15～25℃。

11、优选的，在所述一种基于微通道纺膜的mxene/bc纳米膜的制备方法中，步骤(1)所述mxene溶液的浓度为0.5～2wt％；步骤(1)所述bc悬浮液的浓度为0.1～0.6wt％。

12、优选的，在所述一种基于微通道纺膜的mxene/bc纳米膜的制备方法中，步骤(1)所述均质的压力为6000～10000bar，步骤(1)所述均质的时间为5～10min。

13、优选的，在所述一种基于微通道纺膜的mxene/bc纳米膜的制备方法中，步骤(2)所述mxene溶液与所述bc悬浮液的体积比为1～10：1～20。

14、优选的，在所述一种基于微通道纺膜的mxene/bc纳米膜的制备方法中，步骤(3)所述mxene/bc混合液的流速为400～800μl/min，步骤(3)所述戊二醛溶液的流速为200～700μl/min。

15、本发明还提供了一种基于微通道纺膜的mxene/bc纳米膜的制备方法制得的mxene/bc纳米膜。

16、本发明还提供了一种mxene/bc纳米膜在渗透能发电中的应用，所述mxene/bc纳米膜的输出功率密度为4～24w/m2。

17、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

18、(1)微通道纺膜是湿法纺丝的拓展，是在传统湿法纺丝快速成型的基础上增加了微流体工艺，通过设计不同的微通道可以定制出不同尺寸、形貌结构的纤维。不同于膜材料制备后即可应用，纤维因其较小的截面积在渗透能转化等多个领域应用场景受限，后续还需进行纺织等操作才可投入实际应用。而利用微通道纺膜制备出结构规整的膜材料则可以兼顾微观结构规整、宏观应用便捷的优点。因此，微通道纺膜也具有湿法纺丝的优点，相较于传统的抽滤成膜，本发明采用微通道纺膜的方法具有生产效率高、可连续化生产、结构更加均匀紧密、工艺可控性高、产品性能稳定、环保性好、凝固浴可重复利用等优点，在渗透能发电等领域拥有良好的应用前景。

19、(2)通过扫描电子显微镜可以明显观察到本发明通过微通道纺膜制备的mxene/bc纳米膜拥有明显的层状结构，膜的厚度均一、结构规整，和理论预期相符合。

20、(3)本发明通过改变tempo氧化bc的时间，获得了不同性能的mxene/bc纳米膜；测试所得mxene/bc纳米膜在50倍nacl浓度差(模拟河水与海水的浓度差)的条件下，最优的输出功率密度达到23.8w/m2。

技术特征：

1.一种基于微通道纺膜的mxene/bc纳米膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的一种基于微通道纺膜的mxene/bc纳米膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述配制mxene溶液的方法包括以下步骤：氟化锂、盐酸与ti3alc2混合反应，离心洗涤，得到mxene溶液。

3.如权利要求1所述的一种基于微通道纺膜的mxene/bc纳米膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述氧化反应的时间为3～12h，步骤(1)所述氧化反应的温度为15～25℃。

4.如权利要求1～3任一项所述的一种基于微通道纺膜的mxene/bc纳米膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述mxene溶液的浓度为0.5～2wt％；步骤(1)所述bc悬浮液的浓度为0.1～0.6wt％。

5.如权利要求1或3所述的一种基于微通道纺膜的mxene/bc纳米膜的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述均质的压力为6000～10000bar，步骤(1)所述均质的时间为5～10min。

6.如权利要求1所述的一种基于微通道纺膜的mxene/bc纳米膜的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述mxene溶液与所述bc悬浮液的体积比为1～10：1～20。

7.如权利要求1或6所述的一种基于微通道纺膜的mxene/bc纳米膜的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述mxene/bc混合液的流速为400～800μl/min，步骤(3)所述戊二醛溶液的流速为200～700μl/min。

8.权利要求1～7任一项所述的一种基于微通道纺膜的mxene/bc纳米膜的制备方法制得的mxene/bc纳米膜。

9.权利要求8所述的mxene/bc纳米膜在渗透能发电中的应用，其特征在于，所述mxene/bc纳米膜的输出功率密度为4～24w/m2。

技术总结
本发明属于渗透能转化技术领域，公开了一种基于微通道纺膜的MXene/BC纳米膜及其制备方法与应用。所述制备方法包括以下步骤：采用微通道纺膜的方式，将MXene/BC混合液与戊二醛溶液分别流入、共同流出，凝固，得到MXene/BC纳米膜；微通道纺膜的通道口的长宽比为4～8mm：1～2mm。本发明采用微通道纺膜技术，兼顾有效控制微观形貌结构及与真空抽滤类似的纳米膜宏观结构的优势，具有使用方法方便、生产效率高、结构更加均匀紧密、工艺可控性高、产品性能稳定、环保性好等优点。MXene/BC纳米膜在50倍NaCl浓度差的条件下，最优的输出功率密度达到23.8W/m<supgt;2</supgt;。

技术研发人员：王慧庆,叶冬冬,袁开宇,钟春燕,钟宇光
受保护的技术使用者：合肥工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/9