[发明专利]一种二维MOF/氧化碳材料复合薄膜及其制备方法和应用

说明书

本申请涉及一种制备二维金属有机框架材料(MOF)/氧化碳材料复合薄膜的方法。本申请还涉及一种根据如上所述的方法制备的二维金属有机框架材料(MOF)/氧化碳材料复合薄膜。此外，本申请还涉及一种如上所述的二维金属有机框架材料(MOF)/氧化碳材料复合薄膜在吸附放射性核废液中的应用。本发明的有益效果在于操作简单、可重复性强；氧化石墨烯可与MOF实现高度层层自组装。此外，根据本申请的复合薄膜可实现超强的吸附能力，且这一简单的方法普适于包含不同中心金属离子的二维金属有机框架材料与氧化碳材料的复合。这些高质量的二维MOF/氧化碳材料复合材料在吸附、分离以及催化领域有巨大的应用价值。

技术领域

本发明涉及复合薄膜制备技术领域。具体来说，本发明涉及一种二维金属有机框架(MOF)/氧化碳材料复合薄膜及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，放射性物质的泄露事件屡见不鲜，如2011年3月11日，日本东北部海域发生9.0级地震和巨大海啸，引发福岛核电站事故，大量放射性物质直接排入海洋，给附近海域环境带来很大影响。

放射性铯是核废物和核泄漏的重要组成部分。核电站用来处理废弃燃料以及生产核燃料和冷却剂的设施是污染物的主要来源。在冷却时间内，这种放射性核素的浸出会污染我们的水源、土壤和空气。这样的放射性污染物通过植物进入食物链并最终被纳入进入动物和人类。因为它的半衰期很长，辐射强，溶解度/移动性高，铯可能是甲状腺癌的主要原因。由于其在水中的高溶解度，铯在整个身体中都是均匀分布的，受损害最为严重的主要是软组织。除去放射性铯，吸附是很简单的和经济技术。通过膜分离处理放射性废液的吸附是最常见的手段。因此，制备合适的薄膜达到分离效果尤为重要。

氧化石墨烯(Graphene Oxide，GO)是石墨烯经化学氧化的产物，其表面含有大量的含氧官能团，性质较石墨烯更加活泼，可经由金属离子与含氧官能团的反应而达到吸附金属离子的目的。此外，氧化石墨烯可视为一种非传统型态的软性材料，具有聚合物、胶体、薄膜，以及两性分子的特性。由于表面大量的含氧官能团，氧化石墨烯长久以来被视为亲水性物质，其在水中具有优越的分散性。

金属有机框架材料(MOFs)是近十年来发展迅速的一种配位聚合物，具有三维的孔结构，一般以金属离子为连接点，有机配位体支撑构成空间3D延伸，是沸石和碳纳米管之外的又一类重要的新型多孔材料，其高孔隙率、低密度、大比表面积、孔道规则、孔径可调以及拓扑结构多样性和可裁剪性使其在吸附和分离中可以发挥重要作用。

MOF与氧化石墨烯复合可获得用于过滤的薄膜。中国发明专利申请201710169134.X披露了使用氧化石墨烯为基材，通过溶剂热法来制备氧化石墨烯/金属有机框架复合材料，但制备出的MOF仍然是三维结构的。据发明人所知，因为MOF难以单独成膜，所以二维MOF的制备较为少见，这极大地限制了二维MOF膜在处理放射性废液中的应用。

为此，本领域迫切需要一种二维MOF/氧化碳材料复合薄膜及其制备方法以及其在处理放射性废液中的应用。

发明内容

本发明之目的在于提供一种二维MOF/氧化碳材料复合薄膜的制备方法，从而解决上述现有技术中的技术问题。具体来说，本发明通过金属有机框架材料与氧化石墨烯或氧化碳纳米管的层层自组织来制备二维MOF/氧化碳材料复合薄膜。MOF单独成膜比较困难，但氧化石墨烯可如同界面活性剂一般存在界面，并降低界面间的能量，与二维MOF层层复合，可发挥各自的优势，弥补不足，并产生协同效应，而得到低成本、有高强度、吸附性能优异的复合薄膜。另外，也可以解决在制备二维MOF在成膜的过程中常会遇到的石墨烯易堆垛而形成石墨片的问题；而且电正性的MOF与电负性的GO存在静电诱导从而层层自组装获得理想的薄膜。

本发明之另一目的在于提供通过如上所述的方法制备的二维MOF/氧化碳材料复合薄膜。

本发明之另一目的在于提供如上所述的二维MOF/氧化碳材料复合薄膜在吸附放射性核废液中的应用。