[发明专利]一种聚合物-氨基化过渡金属碳化物共混膜的制备和应用

说明书

本发明提供了一种聚合物‑氨基化过渡金属碳化物共混膜，属于气体膜分离领域。所述该聚合物‑氨基化过渡金属碳化物共混膜由聚乙二醇基膜和填充于该基膜中的氨基化过渡金属碳化物(f‑MXene)构成，引入的f‑MXene具有均匀的层间亚纳米通道，可用于CO₂的快速渗透，并且f‑MXene与聚合物基质界面相容性良好。f‑MXene表面接枝上对CO₂具有亲和性的氨基，增加了CO₂作用位点，氨基可与CO₂发生可逆反应，从而促进CO₂传递，从而提高气体分离效率。

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-氨基化过渡金属碳化物共混膜的制备和应用。

技术背景

随着能源驱动的化石燃料消耗和工业化的快速发展，全球碳循环受到干扰，导致全球变暖以及洪水、干旱、台风等极端天气。二氧化碳作为一种温室气体，它能吸收和限制热辐射，与一氧化氮、甲烷等其他气体共同作用产生温室效应。全球近25％的二氧化碳是作为燃烧过程中的废气排放的，采用各种技术去除烟气中的二氧化碳成为科学界的一大重要课题。

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。本发明选择过渡金属碳化物(MXene)纳米片作为无机填料，并在其表面接枝上氨基基团。MXene均匀的层间通道有利于气体的快速传输，氨基具有高二氧化碳亲和性，有望使共混膜在快速渗透二氧化碳的同时保证高的气体选择性。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于提供一种聚合物-氨基化过渡金属碳化物共混膜的制备和应用。本发明以氨基化过渡金属碳化物填充聚乙二醇甲醚丙烯酸酯-聚乙二醇二丙烯酸酯共聚物为共混膜，应用于膜分离CO₂/N₂，实现了溶解扩散过程与促进传递过程的耦合，提高了CO₂的渗透性，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-氨基化过渡金属碳化物共混膜，所述的一种聚合物-氨基化过渡金属碳化物共混膜由聚乙二醇基膜和填充于该基膜中的氨基化过渡金属碳化物材料构成，所述的氨基化过渡金属碳化物材料(即f-MXene)为具有类似手风琴结构的新型二维片层材料，以碳化钛为纳米片的主体，纳米片表面含有丰富的活性基团，氨基在亚纳米层间通道内起到化学修饰作用，可以与CO₂发生可逆反应，促进CO₂气体的传递。采用紫外光引发的方式制备共混膜，成膜过程无需溶剂，无环境污染、简单高效。

优选地，所述的氨基化过渡金属碳化物的横向尺寸为1μm～2μm，单片厚度为1nm，层数为16层。

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，所述的一种聚合物-氨基化过渡金属碳化物共混膜中氨基化过渡金属碳化物含量为1％～5％。

优选地，所述的聚合物-氨基化过渡金属碳化物共混膜膜厚度为(150～240)μm。

优选地，所述的聚合物-氨基化过渡金属碳化物共混膜的形式可为平板膜、中空纤维膜或管式膜。

本发明还提供了上述技术方案所述聚合物-氨基化过渡金属碳化物共混膜的制备方法，步骤如下：