[发明专利]一种二维多孔MXene膜及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种二维多孔MXene膜及其制备方法和应用。所述制备方法为首先利用化学刻蚀法制备多孔MXene纳米片，然后将制备的多孔MXene纳米片采用压力辅助方法组装到支撑体上，得到所述二维多孔MXene膜。本发明通过简单的化学刻蚀法在MXene纳米片表面引入人造孔，改变了水分子在膜内的传输模型，增加了水分子在膜内的传输通道，缩短了水分子在膜内的平均传输距离，有效保留了二维MXene膜的层间有效分子筛分孔道，极大地增加了膜的水通量，同时保留了膜对小分子染料高的截留性能。此发明制备工艺简单、可控性好、可扩展性强、绿色环保，是一种新颖、高效制备高性能的水处理领域的二维MXene基膜的方法。

技术领域

本发明属于膜的制备技术领域，特别涉及一种二维多孔MXene膜及其制备方法和应用。

背景技术

水是所有地球生命的源泉，是人类赖以生存和发展的重要物质资源之一。社会经济的发展造福了人类，同时也产生了一系列的水污染问题。并且由于我国人均水资源占比小，对饮用水的需求量日益增加，研究和开发高效的水处理技术不仅具有重要的战略意义同时具有重要的现实意义。

膜分离技术在水处理中的应用与传统分离技术相比，具有节能、高效、环保等诸多优点。因此，研究和开发高性能膜一直是研究人员的目标。近年来，由超薄二维材料组装而成的二维层状膜，因其层间纳米通道的有序、可控，以及理论上最小的输运阻力而受到众多研究者的青睐，有望在水处理中取得优异的性能。最近，一种新颖的二维纳米材料MXene(Ti₃C₂T_x)，相对于其他的二维材料如：石墨烯、氧化石墨烯，具有自身独特的优点如：高的热稳定性、水溶液中好的结构稳定性等。但是在实际应用过程中，由于MXene膜层间距较窄，导致其渗透性较低。另外，为了将二维纳米材料负载于支撑载体的表面，通常需要进行煅烧，使分离层的二维材料与支撑层之间紧密结合，但煅烧过程也导致了分离层材料的微结构的破坏和变化。

发明内容

本发明需要解决的技术问题：(1)提高负载有MXene的分离膜的水通量；(2)在不煅烧的情况下保证膜层与基底的结合力；本发明目的在于提供一种二维多孔MXene膜，本发明的另一目的是提供上述二维多孔MXene膜的制备方法；本发明还有一目的是提供该二维多孔MXene膜的应用。本发明制备的多孔MXene膜具有高的水通量和持续高效的小分子染料截留。

本发明的技术方案为：通过简单的化学刻蚀法在MXene纳米片表面引入人造孔，改变了水分子在膜内的传输模型，增加了水分子在膜内的传输通道，缩短了水分子在膜内的平均传输距离，极大地增加了膜的水通量，有效保留了二维MXene膜的层间有效分子筛分孔道，同时实现了膜对小分子染料高的截留性能。因此这是一种制备工艺简单、可控性好、可扩展性强、绿色环保，是一种新颖、高效制备高性能的水处理领域的二维MXene基膜的方法。

本发明的具体技术方案是：一种二维多孔MXene膜，其特征在于由改性支撑体和修饰层组成，修饰层覆于改性支撑体的表面，其中所述的修饰层为双氧水处理得到的多孔的MXene纳米片，所述的改性支撑体为聚多巴胺改性的多孔陶瓷。

本发明还提供了一种制备上述的二维多孔MXene膜的方法，其具体步骤如下：

(1)多孔MXene纳米片的制备：取MXene纳米片搅拌分散到一定质量浓度的双氧水(H₂O₂)溶液中，在一定温度下搅拌刻蚀一定时间，然后将反应后的溶液离心洗涤，超声分散得到浓度为0.001-0.005mg·mL^-1多孔MXene纳米片溶液。

(2)改性支撑体的制备：配制多巴胺和三羟甲基甲胺(Tris)的混合溶液，其中多巴胺和Tris溶液的浓度分别为0.5-5mg·mL^-1和2-25mM，将多孔支撑浸泡在混合溶液中，进行多巴胺的沉积，沉积5-30h，将改性后的多孔支撑体清洗、烘干。