高性能二维层状Ti3C2-MXene膜及其制备方法与在水处理中的应用

　　申请日2016.08.31

　　公开(公告)日2016.12.07

　　IPC分类号B01D69/12; B01D67/00; C02F1/44

　　摘要

　　本发明属于膜制备以及水净化的技术领域，公开了高性能二维层状Ti3C2‑MXene膜及其制备方法与在水处理中的应用。所述方法为：(1)将Ti3AlC2粉末与HF溶液混合，搅拌反应，离心洗涤，干燥，得到Ti3C2粉末;(2)将Ti3C2粉末与溶剂混合，搅拌处理，洗涤，干燥，得到处理后的粉末;(3)将处理后的粉末溶解在溶剂中，超声处理，离心，取上清液，干燥，得到二维纳米片;(4)将纳米片配成溶液，通过纳米自组装技术，沉积到多孔基底上，干燥，得到高性能二维层状Ti3C2‑MXene膜。本发明的膜具有超高的水通量、较高的选择性、良好的机械性能和稳定性;所述方法简单、能耗低、成本低、重复性高、适用性广。

　　权利要求书

　　1.一种高性能二维层状Ti3C2-MXene膜的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

　　(1)将Ti3AlC2粉末与HF溶液混合，搅拌反应，离心洗涤，干燥，得到Ti3C2粉末;

　　(2)将Ti3C2粉末与溶剂混合，搅拌处理，洗涤，干燥，得到处理后的Ti3C2粉末;

　　(3)将处理后的Ti3C2粉末溶解在溶剂中，超声处理，离心，取上清液，干燥，得到二维Ti3C2-MXene纳米片;

　　(4)将二维Ti3C2-MXene纳米片配成溶液，得到二维Ti3C2-MXene纳米片溶液;再将二维Ti3C2-MXene纳米片溶液通过纳米自组装技术，沉积到多孔基底上，干燥，得到高性能二维层状Ti3C2-MXene膜。

　　2.根据权利要求1所述高性能二维层状Ti3C2-MXene膜的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述处理后的Ti3C2粉末与溶剂的质量体积比为(1～5)g：(50～1000)mL;

　　步骤(3)中所述溶剂为水、异丙醇、丙醇、甲醇中一种以上;步骤(3)中所述超声时间为2～24h。

　　3.根据权利要求2所述高性能二维层状Ti3C2-MXene膜的制备方法，其特征在于：步骤(3)中所述溶剂为水和丙醇或水和甲醇的混合物。

　　4.根据权利要求1所述高性能二维层状Ti3C2-MXene膜的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述Ti3AlC2粉末与HF溶液的质量体积比为1g：(2～20)mL;

　　步骤(1)中所述HF溶液的体积浓度为10%～40%;

　　步骤(1)中所述搅拌的条件为室温下搅拌2～12小时。

　　5.根据权利要求1所述高性能二维层状Ti3C2-MXene膜的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述溶剂为二甲基亚砜、水合肼或DMF中一种以上;

　　步骤(2)中所述Ti3AlC2粉末与溶剂的质量体积比为1g：(2～30)mL;

　　步骤(2)中所述搅拌处理的时间为2～48h;

　　步骤(4)中所述二维Ti3C2-MXene纳米片溶液中的溶剂为水、甲醇、乙醇或异丙醇中一种以上;

　　步骤(4)中所述二维Ti3C2-MXene纳米片溶液的浓度为0.1～2mg/mL。

　　6.根据权利要求1所述高性能二维层状Ti3C2-MXene膜的制备方法，其特征在于：步骤(4)中所述的纳米自组装技术为涂布法、抽滤、干燥法或刮涂法;

　　步骤(4)中所述的多孔基底为阳极氧化铝滤膜、混合纤维素酯膜、聚丙烯膜或聚醚砜膜;

　　步骤(4)中所述多孔基底的孔径为100～450nm。

　　7.根据权利要求1所述高性能二维层状Ti3C2-MXene膜的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述搅拌的转速为100～500rpm;所述离心的转速为1000～8000rpm;所述洗涤是指采用去离子水洗涤;

　　步骤(1)中所述洗涤的次数为1～3次;所述干燥的条件为30～120℃干燥5～24小时;

　　步骤(2)中所述搅拌的转速为100～500rpm;所述洗涤的次数为5～10次;所述洗涤是指采用去离子水洗涤;所述干燥的条件为60～200℃干燥10～48小时;

　　步骤(3)中所述离心条件为以5000～10000rpm离心10～40min;步骤(3)中所述干燥为冷冻干燥;

　　步骤(4)中所述干燥方法为自然干燥、鼓风干燥、真空干燥或干燥剂干燥。

　　8.一种由权利要求1～7任一项所述方法制备得到的高性能二维层状Ti3C2-MXene膜。

　　9.根据权利要求8所述高性能二维层状Ti3C2-MXene膜在处理水中的应用，其特征在于包括以下步骤：

　　将支撑在基底的Ti3C2-MXene膜放入水处理装置中，分离水中的不同粒径的纳米杂质。

　　10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于：所述纳米杂质为四甲基吡啶基卟啉、伊文氏蓝和/或纳米金溶液。

　　说明书

　　高性能二维层状Ti3C2-MXene膜及其制备方法与在水处理中的应用

　　技术领域

　　本发明属于膜制备以及水净化的技术领域，涉及一种二维材料，具体涉及一种高性能二维层状Ti3C2-MXene膜及其制备方法与在水处理中的应用。

　　背景技术

　　水是地球所有生命生存的基础。工业经济的高速发展，给社会带来了巨大的进步，同时带来了一系列严重的问题。在众多问题中，水污染的问题尤为突出。尤其是中国这个人均水资源低于世界平均水平的国家，节约用水以及对污水的净化处理有极其重要的战略意义，同时对于人类实现可持续发展有着重要的现实意义。

　　在现有的水处理技术中，相对于传统分离技术，由于膜分离技术具有高分离效率，低能耗和低成本而越来越受到人们的关注，并且应用也越来越广泛。然而，传统的有机聚合物膜由于成本优势而应用比较广泛，但是存在抗腐蚀能力差和机械性能差的问题。陶瓷膜虽然耐腐蚀，机械强度高，但是成本也高，极大的限制了其应用。

　　近年来新出现的二维膜具有机械强度高，热稳定性和化学稳定性优良，操作简单可控性好等特点，逐渐成为了科学家的研究热点。同时，研究表明，二维膜的分离性能要远高于传统膜。目前，二维膜材料主要有石墨烯/氧化石墨烯材料和类石墨烯材料两大类。其中二维石墨烯/氧化石墨烯膜近年来研究很广泛，但是其缺点也是很明显的，主要包括制备过程的成本高，在水溶液中不稳定和抗污染能力较差。

　　如何制备出一种低成本、高水通量高选择性和分离效率高的膜材料已逐渐成为人们研究的重点。

　　发明内容

　　为了克服现有技术的缺点和不足，本发明的首要目的在于提供一种高性能二维层状Ti3C2-MXene膜的制备方法。所述高性能二维层状Ti3C2-MXene膜能在水溶液中稳定存在。

　　本发明的另一目的在于提供由上述方法制备得到的高性能二维层状Ti3C2-MXene膜。所述二维层状Ti3C2-MXene膜具有高水通量和高选择性。

　　本发明的再一目的在于提供上述高性能二维层状Ti3C2-MXene膜的应用。所述高性能二维层状Ti3C2-MXene膜用于水净化处理。

　　本发明目的通过以下技术方案实现：

　　一种高性能二维层状Ti3C2-MXene膜的制备方法，包括以下步骤：

　　(1)将Ti3AlC2粉末与HF溶液混合，搅拌反应，离心洗涤，干燥，得到Ti3C2粉末;

　　(2)将Ti3C2粉末与溶剂混合，搅拌处理，洗涤，干燥，得到处理后的Ti3C2粉末;

　　(3)将处理后的Ti3C2粉末溶解在溶剂中，超声处理，离心，取上清液，干燥，得到二维Ti3C2-MXene纳米片;

　　步骤(1)中所述Ti3AlC2粉末与HF溶液的质量体积比为1g：(2～20)mL。

　　步骤(1)中所述HF溶液的体积浓度为10%～40%。

　　步骤(1)中所述搅拌的条件为室温下搅拌2～12小时。

　　步骤(1)中所述搅拌的转速为100～500rpm;所述离心的转速为1000～8000rpm;所述洗涤是指采用去离子水洗涤。

　　步骤(1)中所述洗涤的次数为1～3次;所述干燥的条件为30～120℃干燥5～24小时。

　　步骤(2)中所述溶剂为二甲基亚砜、水合肼或DMF中一种以上。

　　步骤(2)中所述Ti3AlC2粉末与溶剂的质量体积比为1g：(2～30)mL;

　　步骤(2)中所述搅拌处理的时间为2～48h;

　　步骤(2)中所述搅拌的转速为100～500rpm;所述洗涤的次数为5～10次;所述洗涤是指采用去离子水洗涤;所述干燥的条件为60～200℃干燥10～48小时。

　　步骤(3)中所述处理后的Ti3C2粉末与溶剂的质量体积比为(1～5)g：(50～1000)mL;所述超声时间为2～24h，所述离心条件为以5000～10000rpm离心10～40min。

　　步骤(3)中所述溶剂为水、异丙醇、丙醇、甲醇中一种以上;优选为水和丙醇或水和甲醇的混合物。

　　步骤(3)中所述干燥为冷冻干燥。

　　步骤(4)中所述二维Ti3C2-MXene纳米片溶液中的溶剂为水、甲醇、乙醇或异丙醇中一种以上;所述二维Ti3C2-MXene纳米片溶液的浓度为0.1～2mg/mL。

　　步骤(4)中所述的纳米自组装技术为涂布法、抽滤、干燥法或刮涂法。

　　步骤(4)中所述的多孔基底为阳极氧化铝滤膜、混合纤维素酯膜、聚丙烯膜或聚醚砜膜。

　　步骤(4)中所述多孔基底的孔径为100～450nm。

　　所述多孔基底优选为孔径为0.2μm的阳极氧化铝滤膜。

　　步骤(4)中所述干燥为自然干燥、鼓风干燥、真空干燥或干燥剂干燥。

　　步骤(4)中所述鼓风或真空干燥的条件为35～200℃下干燥5～48小时。

　　所述高性能二维层状Ti3C2-MXene膜由上述方法制备得到。

　　所述高性能二维层状Ti3C2-MXene膜在处理水中的应用，包括以下步骤：

　　将支撑在基底的Ti3C2-MXene膜放入水处理装置中，在一定的压力下，分离水中的不同粒径的纳米杂质。

　　所用的不同粒径的纳米杂质为四甲基吡啶基卟啉、伊文氏蓝、纳米金溶液。纳米杂质粒子为直径为2nm的四甲基吡啶基卟啉(TMPyP)，直径为3nm的伊文氏蓝(EB)，直径为5nm的纳米金溶液。

　　本发明通过将二维的Ti3C2(MXene)纳米片进行组装，制备出了高水通量高选择性的二维层状Ti3C2-MXene超滤膜，所得到的超滤膜的水通量是氧化石墨烯膜的10倍多，同时选择性与氧化石墨烯膜相似。

　　本发明制备的二维层状Ti3C2-MXene膜及其制备方法具有以下特点：

　　(1)该膜用于处理3nm左右的离子时，具有超高的水通量以及较高的选择性，分离效率高，在超滤膜中有很好的应用前景;

　　(2)该膜机械性能良好，在水中能稳定存在，耐酸碱，抗污染能力强，可重复利用次数高;