[发明专利]一种金属离子交联纳米膜的制备方法

说明书

本发明公开了一种金属离子交联纳米膜的制备方法，包括以下步骤：制备水凝胶，并将所制备的水凝胶在水中溶胀至饱和；将溶胀至饱和的水凝胶浸泡到金属离子水溶液中，浸泡给定时间后取出；立即将铺展溶液连续滴加到刚取出的水凝胶表面，铺展溶液在湿润水凝胶表面超铺展，进行界面成膜反应，待反应完成后，即在水凝胶表面得到纳米膜；将纳米膜转移到任意固体表面，干燥后洗涤除去多余的金属离子，干燥后从固体表面剥离，得到金属离子交联纳米膜。本发明制备的金属离子交联纳米膜稳定性高、取向度高、层间距达到埃级别的精确可控、在水中不发生明显溶胀，层间距与空气中基本保持一致，在水处理、离子/分子分离、电池、电容等领域具有广泛应用前景。

技术领域

本发明属于纳米膜的制备技术领域，具体地，本发明主要涉及一种金属离子交联纳米膜的制备方法。

背景技术

二维的纳米膜在分子或离子筛分、海水淡化、选择性传输、能量存储和收集、生物传感等领域具有重要应用。在膜分离领域，纳米膜的层间距、取向度都对膜的分离性能起着决定性的作用，而纳米膜的稳定性是其在不同溶液环境中长期应用的先决条件。而且二维纳米膜的层间距与分子尺寸处于同一个数量级，通过调控二维纳米通道的尺寸使其与反应物分子的尺寸相匹配，二维纳米膜可以作为二维纳米限域通道用于各种限域反应，如限域催化、限域聚合。因此，对纳米膜层间距的精确调控以及提升纳米膜的稳定性与取向度不仅可以使纳米膜克服传统分离膜所表现出的缺陷，而且可以使纳米膜作为限域反应的平台，具有重要意义。

纳米膜的纳米片含氧官能团中氧原子的孤电子对、芳香环结构的离域π键与金属阳离子的空轨道之间通过配位作用、阳离子-π作用发生耦合，能提升纳米膜的稳定性，还可通过金属离子的选择实现对纳米膜层间距的精确调控，而对纳米膜的精确调控有利于纳米膜用于对目标离子、分子的精确筛分。

目前，已有一些研究将金属离子引入纳米片层间，如将金属离子溶液与氧化石墨烯纳米片分散液直接混合后抽滤成膜或蒸发溶剂成膜，或者将已经制备好的氧化石墨烯纳米膜浸泡到金属离子溶液中以将金属离子引入氧化石墨烯纳米片层间。但直接混合金属离子溶液与纳米片分散液会生成团聚，使膜不均匀、取向差、稳定性与机械性能欠佳，难以用于实际应用，而在制成膜之后再浸泡金属离子溶液又会因金属离子进入膜的传质阻力较大使得层间金属离子的含量较低，难以实现对膜层间距的精确控制。

采用超铺展方法将铺展溶液连续滴加到凝胶界面进行界面成膜反应可以实现在成膜过程中将金属离子引入纳米片层间，超铺展剪切液流能诱导纳米片取向实现纳米膜的高取向度，超铺展方法还能实现膜的大面积制备，可以克服上述方法所表现出的缺陷。但现有的超铺展方法通过海藻酸钠与钙离子交联成膜，必须在铺展溶液中加入海藻酸钠高分子，但高分子交联剂本身尺寸较大，会使得纳米膜的层间距较大，难以实现对层间距的精确调控，影响纳米膜的通道规整性与分离性能，更重要的是海藻酸钠填充在纳米片层间会阻塞纳米限域通道，限制了二维纳米膜作为限域反应平台的应用。而且现有的超铺展方法是在油下水凝胶表面制膜，有待进一步简化工艺。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种金属离子交联纳米膜的制备方法，选择金属离子作为交联剂，通过铺展溶液在空气中湿润水凝胶表面的超铺展行为进行纳米膜制备，在纳米膜的成膜过程中引入金属离子，通过纳米片含氧官能团中氧原子的孤电子对、芳香环结构的离域π键与金属阳离子的空轨道之间的配位作用、阳离子-π作用提升纳米膜的稳定性，通过对金属离子种类的选择实现对纳米膜层间距埃级别的精确调控，通过超铺展剪切液流诱导纳米片取向提高纳米膜的取向度，以实现纳米膜的高稳定性、高取向度及埃级别精确可控的层间距，且本制备方法简单高效、易于大面积制备，对原有的超铺展制膜方法进行了工艺上的简化与适用范围的拓展，在水处理、离子/分子分离、电池、电容、限域反应等领域得到重要应用。本发明采用如下技术方案：

一种金属离子交联纳米膜的制备方法，包括以下步骤：

（1）制备水凝胶，并将所制备的水凝胶在水中溶胀至饱和；