[发明专利]一种纳米多孔碳陶瓷膜纳滤复合膜的制备方法

说明书

本发明涉及一种纳米多孔碳陶瓷膜纳滤复合膜的制备方法，利用溶胶‑凝胶法在商品化的大孔陶瓷支撑体上依次制备了γ‑Al₂O₃和介孔硅层，再将金属有机框架化合物引入介孔中来调节孔径大小，形成陶瓷膜的选择分离层，以MOFs为牺牲模板制备纳米多孔碳陶瓷纳滤复合膜。本发明利用液相外延生长法，将金属盐溶液以一定流速通过介孔硅修饰后的陶瓷膜，然后将有机配体溶液通过陶瓷膜，从而在介孔中生成MOFs的种子。将这一过程循环若干次，在介孔中不断发生定向的配位反应来缩小孔径，再将其高温碳化形成纳米多孔碳，保留MOFs碳骨架结构的同时具有耐酸、耐碱以及抗氧化性能。本发明制备是一种高效制备效陶瓷纳滤膜的方法，适合规模化生产。

技术领域

本发明属于陶瓷膜技术领域，具体涉及一种纳米多孔碳陶瓷膜纳滤复合膜的制备方法，适应于工业化应用。

背景技术

多孔碳材料由于具备大比表面积、均一的孔道结构、刚性的框架、优良的化学性质及良好的热稳定性等优点，被认为是制备功能材料的理想载体, 因此在吸附、催化及电化学等领域具有广泛的应用。其中多孔碳的孔道结构、表面特性、前驱体来源与制备方法都对材料成本和应用性能具有重要影响，而如何方便地实现多孔碳材料的组成结构调控、降低制备成本一直是研究的重点。对此研究者已付出诸多努力，开发了不同前驱体来源及结构形貌的多孔碳材料，例如采用廉价的生物质材料碳化获得介孔碳，显著降低了成本，但是此类多孔碳孔道有序度较低，孔径分布不均匀，限制了应用范围；以介孔分子筛以及纳米颗粒组装为硬模板，通过表面覆盖有机质经碳化制备的多孔碳，孔道规则且高度有序，但这种方法程序相对复杂，而且成本高昂，不利于大规模生产。

相比而言, 最早于20世纪90年代末提出的金属有机框架（MOFs）结构为此类材料的合成提供了一个重要的突破。MOFs是由无机金属中心（金属离子或金属簇）与桥连的有机配体通过自组装相互连接，形成的一类具有周期性网络结构的晶态多孔材料，其孔径通过增加刚性有机桥接分子的长度可以很容易地由几个埃米调整到几纳米（高达9.8 nm），并具备难以置信的巨大比表面积（1000~10000 cm²/g），远远超过了沸石、介孔碳等传统多孔材料。正因为MOFs材料组成、结构和孔径的灵活可控的独特特点带来了其形貌设计的多样性和可操作性，因此MOFs材料在用作制备各种形貌纳米多孔材料的理想前体方面具有极大的吸引力。通过在惰性气氛下热解的方法，MOFs可方便地转换为基于碳的纳米多孔材料，在控制热解温度和后处理基础上，MOFs前驱体的孔结构特性可以很大程度被转移到多孔碳材料上，从而提供了定制的表面性能和微观结构。

由于 MOFs 具有结构多样、表面积大、孔径可调的特点，被认为是构建纳米多孔碳材料的一类新型前驱体，能够极大地扩展纳米多孔碳材料的结构和性能。目前，由MOF-5、Al-PCP、ZIF-8等材料制备的纳米多孔碳材料已在气体吸附、电化学电容、 传感、催化等领域表现出了优异的性能。近几年来，新兴的金属有机框架材料已被证明可作为制备纳米多孔碳（NPCs）的牺牲模板。纳米多孔碳其优异的热、化学稳定性，尤其是抗氧化性高，耐腐蚀性强的特点解决了MOFs对空气和水分敏感以及化学稳定性差的缺陷，扩大其应用领域。此外，它们的有机部分直接碳化后可以转化为稳定的碳骨架结构，而不需要任何额外的碳源，并且方法简便易行。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种纳米多孔碳陶瓷膜纳滤复合膜的制备方法，利用液相外延生长法，将金属盐溶液以一定流速通介孔硅修饰后的陶瓷膜，然后将有机配体溶液通过陶瓷膜，从而在介孔中生成MOFs的种子。将这一过程循环若干次，在介孔中不断发生定向的配位反应来缩小孔径，再将其进一步高温碳化形成纳米多孔碳，保留MOFs碳骨架结构的同时具有耐酸、耐碱以及抗氧化性能。本发明制备工艺简单、重复性好、易于推广，是一种高效制备效陶瓷纳滤膜的方法，适合规模化生产。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种纳米多孔碳陶瓷膜纳滤复合膜的制备方法，包括以下步骤：