[发明专利]一种二维材料复合分离膜、制备方法和用途

说明书

本发明涉及一种二维材料复合分离膜、制备方法和用途，属于膜分离技术领域。二维材料复合分离膜，是由二维材料和负载于二维材料上的纳米材料所组成，所述的二维材料是g‑C₃N₄纳米片，所述的纳米材料是MoS₂纳米片或者纳米ZnO。与g‑C₃N₄纯膜及MoS₂纯膜相比，复合膜的对苯酚的截留性能与可见光催化降解性能都得到改善，复合膜的稳定性较佳。纳米ZnO能够有效填补g‑C₃N₄膜的裂缝与空腔，性能有着极大的提高。复合膜的截留率超过88％，光催化性能是g‑C₃N₄/MoS₂复合膜的2倍。

技术领域

本发明涉及一种二维材料复合分离膜、制备方法和用途，属于膜分离技术领域。

背景技术

二维石墨相氮化碳(g-C₃N₄)材料^[1,2]已被探索为光催化化学领域和分离膜的极有希望的候选者。g-C₃N₄纳米片不含金属，无毒且易于在实验室中大规模制备。重要的是，g-C₃N₄是一种以三硫三嗪环为基本结构单元的二维片层状结构的材料，g-C₃N₄的片层间存在范德华力，具有π-π共轭结构，该材料具有特殊的电子和光催化性能，比传统的TiO₂光催化剂具有更广泛的吸收光谱范围，仅在普通可见光下不需要紫外光来发挥光催化作用。g-C₃N₄纳米片中独特的晶格缺陷和层状结构^[3]非常适合于选择性输送水的膜通道的形成。Zhao等^[4]研究了复合g-C₃N₄光催化膜的渗透性。结果表明，由于g-C₃N₄的高光催化效率，若丹明B的去除效率和渗透通量都得到了改善。这些高分离性能和高渗透性能均归功于g-C₃N₄纳米片的作用。但由于体g-C₃N₄的比表面积较小，且光生电子空穴容易发生复合，导致光生载流子的输运速度较慢，限制了其光催化活性。因此，提高g-C₃N₄的光催化活性具有重要意义。

近年来，研究人员发现，通过一定的制备方法将g-C₃N₄块体剥离，可以获得具有较好的光催化活性的2D g-C₃N₄纳米片。常用的方法有热氧化腐蚀剥落法、化学插层剥落法和液体剥落法。然而，热氧化腐蚀剥落法制备的2D g-C₃N₄纳米片界面存在许多缺陷。在化学插层剥离过程中，化学插层会破坏单层二维g-C₃N₄纳米片的结构，且过程较为复杂。液态剥离法是制备二维g-C₃N₄纳米片最常用的方法之一，其光催化活性和质量产率均高于热氧化、蚀刻剥离法和化学插层剥离法。然而，这种方法仍然存在一些问题。剥落过程中使用有机溶剂并且需要长时间的超声波辅助。因此，该方法可能产生大量的有机废液，同时伴随着大量的能源消耗。因此，寻找一种既绿色环保又能满足高收率和光催化活性的剥离方法显得尤为重要。

近几十年来，自支撑超薄膜是研究和工业应用中的一个热点，因为这种自支撑膜具有几厘米的宽度和几纳米的厚度，即同时兼具宏观材料和单个分子的特性。冉等^[5]通过在二维的MoS₂膜中插入Zn-BTC纳米线，成功制备了Zn-BTC/MoS₂复合膜，结果表明Zn-BTC/MoS₂复合膜的有机溶剂通量比MoS₂膜提高了6倍，同时该复合膜保持了优异的筛分能力，能够完全截留尺寸大于0.42nm的染料分子。