[发明专利]一种掺杂沸石咪唑酯骨架多孔碳纳米材料的有机-无机混合基质膜的制备方法及应用

说明书

本发明公开了一种掺杂沸石咪唑酯骨架多孔碳纳米材料的有机‑无机混合基质膜的制备方法及应用，制备方法为：选用六水合硝酸锌、六水合硝酸镍和2‑甲基咪唑为原料，通过溶剂热法制备含有镍的沸石咪唑材料；然后将镍掺杂的沸石咪唑酯材料作为前驱体，在700~1000°C下高温煅烧制得沸石咪唑酯骨架多孔碳纳米材料；将该多孔碳纳米材料分散于聚醚共聚酰胺溶液中，制备均一铸膜液，湿膜厚度为50~500μm，通过溶剂挥发法制得掺杂沸石咪唑酯骨架多孔碳纳米材料的混合基质膜。本发明的无机材料简单易得，制膜方法容易操作，将该混合基质膜用于CO₂分离，添加的无机材料能有效提高聚醚共聚酰胺膜的CO₂的渗透系数和CO₂/N₂分离因子。

技术领域

本发明涉及一种掺杂沸石咪唑酯骨架多孔碳纳米材料的有机-无机混合基质膜的制备方法及应用，属于气体分离膜技术领域。

背景技术

随着工业技术的发展和人口数量的增长，全球气候变暖问题已经引起人们的关注。因此，为了减少CO₂排放到大气中，化石燃料燃烧前或燃烧后采用有效的方法捕获CO₂已迫在眉睫。一般情况下，从气体混合物中分离CO₂的方法主要有化学吸附、物理吸附、深冷分离、膜分离等。膜分离技术由于效率高、适应性强、操作简单、能耗低、投资少、环境友好等优点常被用于分离CO₂。但聚合物膜在气体渗透性和选择性之间存在trade-off效应，即渗透性的提高是以牺牲选择性为代价的，反之亦然。而无机膜的分离性能却远远超过Robeson上限。因此，将这两种材料有机的结合起来，扬长避短，制备出具有性能优异的复合膜已经成为一种趋势。而将无机材料添加到有机高分子中制得的有机-无机混合基质膜(MMMs)很好的结合了二者的优势，克服了二者的缺陷，成为当前的研究热点。

发明内容

本发明旨在提供一种掺杂沸石咪唑酯骨架多孔碳纳米材料的有机-无机混合基质膜的制备方法及应用，该制备方法工艺简单，应用在CO₂/N₂混合体系中，能有效地选择性分离CO₂，为CO₂的传递提供了快速迁移通道。

本发明提供的混合基质膜中，无机粒子的引入一方面打断了分子链的堆积，加快了气体分子的传递，提高了气体的渗透性。另一方面，无机粒子不仅能增加对目标气体的亲和力，而且还能提供与目标气体分子动力学直径匹配的扩散通道，从而提高气体的选择性。因此，混合基质膜能够打破trade-off效应，甚至超过Robeson上限。本发明制备的沸石咪唑酯骨架多孔碳纳米材料对CO₂有很强的吸附能力；其上丰富的氮原子可作为路易斯碱，与酸性的CO₂分子发生反应，能促进CO₂的传递。

本发明提供了一种掺杂沸石咪唑酯骨架多孔碳纳米材料的有机-无机混合基质膜，由聚合物基质和添加剂组成，聚合物基质为聚醚-聚酰胺嵌段共聚物，添加剂为沸石咪唑酯骨架多孔碳纳米材料，添加剂占混合基质膜的质量百分含量为0.1～10wt%。

本发明提供了一种上述掺杂沸石咪唑酯骨架多孔碳纳米材料的有机-无机混合基质膜的制备方法：首先选用六水合硝酸锌、六水合硝酸镍和2-甲基咪唑为原料，通过溶剂热法合成镍掺杂的沸石咪唑酯材料；然后将其作为前驱体，在700~1000°C下高温煅烧制得多孔沸石咪唑酯骨架多孔碳纳米材料；再将该多孔碳纳米材料分散到聚醚-聚酰胺嵌段聚合物溶液中，采用溶剂挥发法制备出掺杂沸石咪唑酯骨架多孔碳纳米材料的有机-无机混合基质膜；所制备的膜为均质致密聚合物膜。

上述制备混合基质膜时，湿膜厚度控制在50~500μm。

所述掺杂沸石咪唑酯骨架多孔碳纳米材料的有机-无机混合基质膜的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤一、制备镍掺杂的沸石咪唑酯材料：