[发明专利]一种MXene气凝胶的制备方法及其对磷和铀酰的吸附应用

说明书

本发明涉及一种MXene气凝胶复合纳米材料的制备方法及其对磷和铀酰离子的吸附应用，属于纳米吸附材料技术领域，具体包括如下步骤：1)将多层MXene(Ti₃C₂)材料在有机碱的作用下进行插层处理，得到单层或少层的D‑MXene悬浮液；2)在D‑MXene水溶液中加入Ca²⁺离子，形成稳定的MXene‑Ca凝胶；3)将上述MXene‑Ca凝胶浸入磷酸盐溶液中，吸附饱和之后将该凝胶取出置于冻干机中干燥，得到MXene‑Ca‑P气凝胶，可用于铀酰离子的高效吸附去除。本发明制备方式简单，对铀酰的吸附容量大，耐辐照性能好，并可实现水中磷污染物和铀酰的连续高效去除，具有重要的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种吸附材料，特别是涉及一种MXene(Ti₃C₂)气凝胶的制备方法及其对磷和铀酰的吸附应用，属于纳米吸附材料技术领域。

背景技术

随着核工业的发展，产生了大量的放射性污染物，含铀废水是较为常见的一种。由于铀兼具化学毒性和放射性毒性，对人类健康和环境造成巨大的威胁，因而必须对其进行适当的后处理。目前含铀废水的处理方法主要包括化学沉淀法，吸附法，离子交换法，生物技术，膜技术等。其中，吸附法作为一种兼具节约能源和环保理念的“绿色方法”，其操作简单、不引入二次污染、吸附条件温和并且吸附剂洗涤后可重复使用，近年来在铀酰提取、放射性废液处理方面的研究十分活跃。由于在乏燃料后处理过程中，材料需在电离辐射等极端环境下使用，对吸附分离材料的辐射稳定性有很高的要求，因此选择兼具高吸附效率和耐辐照性能的吸附材料，一直是该领研究的重点。在众多的吸附材料中，二维材料由于其大的比表面积和较多的活性吸附位点对核素表现出较高的吸附效率。此外，由于磷酸盐对铀具有较强的络合和矿化效应，其也被广泛应用于铀酰的吸附。然而，磷作为一种非可再生资源，其地球储备有限，而水体中过量的磷又会形成富营养化，对水体和生物造成污染，因此对水体中的磷进行回收和利用十分必要。

近年来发展起来的以Ti₃C₂为代表的二维过渡金属碳化物或碳氮化物(MXene)是一种新型二维晶体，具有与石墨烯类似的结构。其化学式为M_n+1X_n，n＝1、2、3，M为早期过渡金属元素，X为碳或/和氮元素。由于MXene具有大的比表面积、丰富的表面官能团和独特的纳米层状结构，能有效提高吸附效率，其在吸附领域有着十分广阔的应用前景；此外，MXene的前驱体MAX相已被证明是具有良好的耐辐照性和热稳定性的新型金属陶瓷材料。因此，MXene兼具高吸附效率和耐辐照性能两个特点，被认为是一种极具前景的放射性物质吸附材料。通过对MXene材料进行设计和改造，增加MXene的吸附活性位点和扩大层间距，增强材料的稳定性，进而提高材料对铀酰离子的吸附效率，具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于，制备一种用于磷和铀酰连续高效吸附的MXene气凝胶复合纳米材料。该材料不仅大大提高了MXene的吸附活性位点，还能有效抑制MXene纳米片的团聚，对铀酰的吸附容量大，耐辐照性能好，并且可以实现水中磷污染物和铀酰的连续高效去除，具有重要的应用前景。

本发明的目标通过下述技术方案来实现：

一种制备MXene气凝胶复合纳米材料的方法，包括以下步骤：

(1)单层或少层D-MXene悬液的制备。将1g多层MXene(Ti₃C₂)粉末加入有机碱插层剂的水溶液中，室温磁力搅拌24-48h进行插层。将插层后的黑色混合液转移至透析袋中，并将透析袋浸入适量去离子水进行透析，定期更换去离子水，透析12-24h至溶液pH呈中性。将透析后的混合液3500rpm离心，收集悬浮液得到D-MXene悬液，采用加水稀释或旋转蒸发浓缩的方式，调控悬液中MXene的浓度，使其浓度为10-20mg/mL。