[发明专利]一种镧系氟化物多孔纳米片填充的混合基质膜及其制备方法与应用

说明书

本发明公开了一种镧系氟化物二维多孔纳米片填充的混合基质膜，包括如下质量分数的组分：镧系氟化物二维多孔纳米片0.5％～30％，以及聚氧乙烯基高分子70％～99.5％；镧系氟化物二维多孔纳米片为分散相，聚氧乙烯基高分子为连续相。其中，镧系氟化物二维多孔纳米片是一种新型的纳米材料，将镧系氟化物二维多孔纳米片作为填充剂制备高分子‑无机混合基质膜，能够改善高分子‑无机混合基质膜的实际使用性能。

技术领域

本发明涉及气体分离膜技术领域，更具体的说是涉及一种镧系氟化物多孔纳米片填充的混合基质膜及其制备方法与应用。

背景技术

现今世界工业的迅速发展主要依赖于不可再生的化石燃料，而随着化石燃料使用量的逐年增长，也造成CO₂的排放量急剧增加，使得全球碳污染形势愈发严峻。而且，富含甲烷、氢气的气态能源，如天然气、煤层气、生物气、油田气等，往往含有较多的CO₂，造成气态能源利用率降低、资源浪费。而为了减少CO₂的排放量、回收气态能源中的CO₂，需要进行气体分离，能够实现该目的的气体膜分离技术，因具有投资少、能耗低、操作简便等优势而广受关注，研究开发具有良好渗透和选择性能的膜材料是提高膜分离技术竞争性的关键。

膜材料主要分为有机高分子膜和无机膜。其中有机高分子膜具有易加工、成本低的显著优势，但受trade-off效应限制；而无机膜机械性能和热稳定性好，但不易加工且成本高昂。而高分子-无机混合基质膜能够兼具高分子膜和无机膜的优点、克服各自部分缺点，利用无机颗粒对膜内高分子链的排布进行干扰，对膜的微观结构和自由体积进行调控和优化，提高膜的孔隙、气体渗透系数，为分离膜发展提供一个新的路径。高分子-无机混合基质膜常用的无机填充材料有：MOF、沸石、碳分子筛、金属氧化物等。但是现有的高分子-无机混合基质膜实际并不能达到兼具高分子膜和无机膜优点的效果。

因此，提供一种新的高分子-无机混合基质膜是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种镧系氟化物二维多孔纳米片填充的混合基质膜及其制备方法与应用，其中镧系氟化物二维多孔纳米片是一种新型的纳米材料，将镧系氟化物二维多孔纳米片作为填充剂制备高分子-无机混合基质膜，能够改善高分子-无机混合基质膜的实际使用性能。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种镧系氟化物二维多孔纳米片填充的混合基质膜，其特征在于，包括下述质量分数的组分：镧系氟化物二维多孔纳米片0.5％～30％，聚氧乙烯基高分子70％～99.5％；所述镧系氟化物二维多孔纳米片为分散相，所述聚氧乙烯基高分子为连续相。

优选的，所述镧系氟化物二维多孔纳米片在所述混合基质膜中呈现单片分散和多片叠加的状态。

优选的，所述混合基质膜的厚度为80μm～200μm。

上述优选技术方案的有益效果是：本发明公开的混合基质膜中分散相为膜内引入的镧系氟化物二维多孔纳米片，连续相为高分子基质，镧系氟化物二维多孔纳米片具有良好的气体吸附性能，与高分子基质具有良好的界面相容和界面结合力，且分散相在膜中呈现单片分散和多片叠加的状态，单片分散提高渗透性，多片叠加促进气体分离。

优选的，所述镧系氟化物二维多孔纳米片由直径为0.5～20nm的纳米颗粒组装成氟-镧系金属单原子层，且层与层之间通过乙酸根交替堆积排列而成的纳米片结构；其中层间距为0.344nm，所述纳米片的平均孔径为0.1～10nm。

需要说明的是，本发明公开的镧系氟化物二维多孔纳米片经全自动物理化学吸附仪测试，结果显示二氧化碳吸附量为3.1cm³/g；采用BJH模型对脱附曲线进行的相关计算结果表明，平均孔径为3.832nm；通过高倍透射电镜观察和X-射线衍射仪测试结果相结合分析，得到纳米片层间距为0.344nm。