[发明专利]一种聚合物-复合纳米填充剂共混膜的制备和应用

说明书

本发明提供了一种聚合物‑复合纳米填充剂共混膜，属于气体膜分离领域。该共混膜由聚乙二醇基膜和填充于该基膜中的复合纳米填充剂(ZIF‑8@MXene)组成。ZIF‑8孔径为恰好介于CO₂和N₂分子的动力学直径之间，能提供精确的分子筛分作用，在快速传输气体的同时保证高的选择性。同时，过渡金属碳化物(MXene)纳米片为ZIF‑8在膜内的分布提供了平台，大大提高了填充效率，有效避免了ZIF‑8颗粒在膜内发生团聚。将ZIF‑8@MXene引入到聚合物基质中可提高气体分离效率。

技术领域

本发明涉及气体分离膜技术领域，尤其涉及一种聚合物-复合纳米填充剂共混膜的制备和应用。

技术背景

近年来，能源与环境问题引起了全社会的广泛关注。化石燃料的大量使用造成了二氧化碳、氧化亚氮、甲烷等温室气体的大量排放。其中，二氧化碳是最主要的温室气体，在气候变化中起着重要作用。据报导，到2100年，大气中可能含有高达570ppm的二氧化碳，导致全球平均温度上升约1.9℃，平均海平面上升3.8米。因此，迫切需要开发一种对二氧化碳捕获、分离的方法，将其重新利用或储存，减小对环境的影响。

与吸收、吸附、低温蒸馏等用于二氧化碳捕集与分离的传统方法相比，膜分离技术具有能源消耗低、环境友好、工艺过程简单、易于放大生产等优点。共混膜是将聚合物与无机材料共混的一类新型膜材料，有望在获得优异的气体分离性能的同时，保证良好的加工性能。因其潜力巨大，引起诸多科研工作者的兴趣。

通常，聚合物膜受到trade-off效应的限制，难以同时获得高的气体渗透性和选择性，这极大地限制了其在化学工业中的进一步应用。为了克服这一限制，将无机填料分散到聚合物基质中形成的共混膜这一新型膜材料已经被开发出来。借助填料的性能和功能化，开发高性能的膜成为可能。本发明选择在过渡金属碳化物表面原位生长沸石咪唑酯骨架结构材料为复合纳米填充剂(简称MXene@ZIF-8)，充分利用了ZIF-8的合理孔径提供的精确筛分作用，同时，MXene的存在使复合纳米填充剂仍保持二维片层结构，能够有效避免ZIF-8颗粒产生聚集，在膜内形成缺陷，有望获得具有高气体分离性能的膜材料。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于提供一种聚合物-复合纳米填充剂共混膜的制备和应用。本发明以过渡金属碳化物表面原位生长沸石咪唑酯骨架结构材料为复合纳米填充剂，填充于聚乙二醇甲醚丙烯酸酯-聚乙二醇二丙烯酸酯共聚物制备共混膜，应用于膜分离CO₂/N₂，实现了溶解扩散过程与精确的分子筛分过程的耦合，显著提高了CO₂的渗透选择性，同时提高了气体分离效率。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

一种聚合物-复合纳米填充剂共混膜，所述一种聚合物-复合纳米填充剂共混膜由聚乙二醇基膜和填充于该基膜中的复合纳米填充剂构成。所述复合纳米填充剂为过渡金属碳化物(MXene)表面原位生长沸石咪唑酯骨架结构材料(即为ZIF-8@MXene)，是由单层MXene纳米片上的-OH、-O-等给电子基团锚定锌离子，使ZIF-8在MXene纳米片表面成核、生长，进而得到的一种复合材料，原位生长过程没有改变MXene纳米片的二维结构，同时也保留了ZIF-8原有的多孔结构，有望充分发挥ZIF-8的精确筛分作用，提高气体分离过程的渗透选择性。采用紫外光引发交联的方式制备共混膜，成膜过程不需溶剂，无环境污染、简单高效。

优选地，所述的过渡金属碳化物的横向尺寸为500nm～1μm，厚度为1nm。

优选地，所述的在过渡金属碳化物表面原位生长得到的ZIF-8颗粒粒径为50～100nm，孔径为

优选地，所述的共聚物纯膜中聚乙二醇甲醚丙烯酸酯与聚乙二醇二丙烯酸酯的质量比为(5～8)∶(2～5)。

优选地，所述的聚合物-复合纳米填充剂共混膜中复合纳米填充剂的含量为0.3％～2％。