[发明专利]一种黑磷烯膜的制备及其在气体分离中的应用

说明书

本发明公开一种黑磷烯膜的制备方法及其在气体膜分离中的应用，属于二维纳米膜制备技术以及气体分离技术领域；该发明包括利用块状黑磷制备黑磷烯膜和将黑磷烯膜应用于气体分离；通过该发明公开的方法制备的黑磷烯膜具有超高的H₂透量、超高的H₂/CO₂,H₂/N₂，H₂/CH₄和H2/O2分离选择性和优异的机械性能。

技术领域

本发明属于纳米膜及膜法气体分离领域，具体涉及一种黑磷烯膜的制备及其在气体分离中的应用。

背景技术

气体的纯化与分离一直是工业生产中相当重要的一部分，现行的气体分离工艺主要为精馏分离和变压吸附分离。精馏分离气体，对设备要求高，占地面积大，能耗高，操作复杂。变压吸附分离在应用时需要经常更换吸附剂，来达到良好的分离效果。为了解决这些问题，气体膜分离技术被开发出来。膜分离技术显著的特点就是能耗低，操作条件温和，分离效率高和应用场所广泛。气体膜分离技术的开发，对促进节能减排和环保具有十分重要的意义。

现行膜分离材料包括聚合物膜，无机膜和二维材料膜等。聚合物膜一般机械强度较差，同时容易受到酸性气体HCl,SOX的腐蚀，且操作温度低。无机膜稳定性较好，能在高温强酸的环境下工作，但质脆，高温密封困难，需要特殊的形状和支撑系统，制备成本也较高。因此，一种理想的膜应该同时具备良好的稳定性、易制备和分离效率高的特点。

目前，大多数二维材料，如石墨烯，氧化石墨烯(GO)，二硫化钼(MoS2)，金属有机框架材料(MOFs)，MXene等都已被广泛研究并用于气体分离。黑磷烯是一种新型的二维材料，具有高载流子迁移率，可调节的直接带隙，优异的物理化学性质，独特的各向异性等特点。同时已有理论计算表明单层多孔黑磷烯膜在氢气分离方面具有巨大的潜力，因此黑磷烯膜在气体分离领域具有广阔的应用前景。

这里，我们研发出一种成本低，选择性高和通量高的黑磷烯膜，并用于气体分离。

发明内容

本发明提供一种黑磷烯膜在气体分离中的应用，以此来改进现有的气体分离技术。该黑磷烯膜能用于工业氢气提纯和二氧化碳捕获。

一种黑磷烯膜在气体分离中的应用，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将黑磷烯膜放入气体分离装置中，然后在进料侧通入不同动力学直径的待分离的混合气体；

(2)在吹扫测通入吹扫气；

(3)将步骤(2)的吹扫气通入气相色谱仪中进行检测，即可得到不同气体的渗透通量以及选择性；

进一步的，所述(1)中黑磷烯膜的厚度为1-3μm；混合气体为氢气(H₂)动力学直径为0.29nm、二氧化碳(CO₂)动力学直径为0.33nm、氮气(N₂)动力学直径为0.364nm、甲烷(CH₄)动力学直径为0.4nm、氧气(O₂)动力学直径为0.346nm中的一种以上；

进一步的，所述(2)中吹扫气为氩气；吹扫气的流量为10-1000ml/min；

本发明的另一目的在于提供一种黑磷烯膜制备方法，包括以下步骤：

步骤一：将块状黑磷在有机盐的有机溶剂中进行电化学剥离，得到膨胀的黑磷；

步骤二：将膨胀的黑磷加到有机溶剂中，超声，离心洗涤，所得上层清液即是含有黑磷烯纳米片的溶液；

步骤三：将步骤二中所得含有黑磷烯纳米片的分散液通过纳米组装技术堆积到基底上，干燥，即得黑磷烯膜；