一种Janus氮掺杂碳纳米纤维薄膜及制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种Janus氮掺杂碳纳米纤维薄膜及制备方法与应用，其制备方法为：在惰性气氛中，向碳纳米纤维薄膜通入氨气与惰性气体的混合气体，加热至850～950℃，处理3～15min，获得氮掺杂碳纳米纤维薄膜；将氮掺杂碳纳米纤维薄膜一面的氮掺杂层去除获得Janus氮掺杂碳纳米纤维薄膜。本发明专利技术提供的Janus氮掺杂碳纳米纤维薄膜一面疏水、另一面亲水，可以半漂浮在水面上，能够实现同时吸收水面的油类和吸附溶解在水里的染料。

【技术实现步骤摘要】
一种Janus氮掺杂碳纳米纤维薄膜及制备方法与应用
本专利技术涉及一种Janus氮掺杂碳纳米纤维薄膜及制备方法与应用。
技术介绍
公开该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。Janus薄膜，即正反两面带有不同润湿性的薄膜，在雾气收集、微流体、多功能吸附剂和油/水分离等领域具有广泛的应用前景，因此，探索Janus薄膜的低成本、可控制备方法一直是近年来一个活跃的研究领域。如在“Januspolymer/carbonnanotubehybridmembranesforoil/waterseparation”，ACSAppl.Mater.Interfaces6,16204-16209(2014)(“用于油/水分离的Janus高分子/碳纳米管异质薄膜”，《美国化学会应用材料与界面》2014年第6卷第16204-16209页)一文中所述，将疏水性和亲水性的不同高分子分别嫁接到碳纳米管薄膜的不同表面以后，可以获得一面亲水而另一面疏水的Janus碳纳米管薄膜。由于同时亲水性和疏水性，此种碳纳米管薄膜既可以分离水包油乳液，又可以分离油包水乳液。另外，“Improvedinterfacialfloatabilityofsuperhydrophobic/superhydrophilicJanussheetinspiredbylotusleaf”，Adv.Funct.Mater.27,1701466(2017)(超疏水/超亲水Janus薄膜受荷叶启发而提高的界面漂浮性能，《先进功能材料》2017年第27卷第1701466页)一文中提到了Janus铜薄膜的制备方法，即先利用化学腐蚀的方法在铜薄膜的两个表面得到超亲水性的氢氧化铜纳米结构，然后再对一个表面的氢氧化铜纳米结构进行疏水化处理。这样得到的铜薄膜一面是超亲水性而另一面是超疏水性，从而使这种薄膜在水表面具有非常高的稳定性。然而，经过本专利技术的专利技术人研究发现，目前制备Janus薄膜的方法都包含了多步复杂和繁琐的操作过程，并且都使用了大量的有毒或者具有高腐蚀性的化学药品，从而不利于Janus薄膜的低成本制备，也容易对环境造成污染。
技术实现思路
为了解决现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种Janus氮掺杂碳纳米纤维薄膜及制备方法与应用，本专利技术提供的Janus氮掺杂碳纳米纤维薄膜一面疏水、另一面亲水，该薄膜可以半漂浮在水面上，能够实现同时吸收水面的油类和吸附溶解在水里的染料。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案为：一方面，一种Janus氮掺杂碳纳米纤维薄膜的制备方法，在惰性气氛中，向碳纳米纤维薄膜通入氨气与惰性气体的混合气体，加热至850～950℃，处理3～15min，获得氮掺杂碳纳米纤维薄膜；将氮掺杂碳纳米纤维薄膜一面的氮掺杂层去除获得Janus氮掺杂碳纳米纤维薄膜。经过实验发现，经过氨气热处理的碳纳米纤维薄膜能够由疏水性转变为亲水性，当处理时间为3～15min时，能够保证碳纳米纤维薄膜表面变为亲水性，而内部仍为疏水性，此时将一面亲水性层去除，则能够获得Janus薄膜。另一方面，一种Janus氮掺杂碳纳米纤维薄膜，由上述制备方法获得。第三方面，一种上述Janus氮掺杂碳纳米纤维薄膜在油水分离和/或吸附水中染料中的应用。本专利技术的有益效果为：1.本专利技术采用氨气热处理能够将疏水性的碳纳米纤维薄膜转变为亲水性。2.本专利技术调节氨气热处理时间，使得碳纳米纤维薄膜表面变为亲水性，而内部仍为疏水性，当将表面变为亲水性的碳纳米纤维薄膜的一面亲水层去除后，从而形成了一面亲水、另一面疏水的Janus薄膜。3.本专利技术制备的Janus氮掺杂碳纳米纤维薄膜密度较低，可以半漂浮在水面。4.本专利技术制备的Janus氮掺杂碳纳米纤维薄膜能够实现同时吸收水面的油类和吸附溶解在水里的染料。附图说明构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。图1的a为本专利技术所用碳纳米纤维薄膜的扫描电镜图片，b为a方框处的放大图；图2为本专利技术实施例1制备的氮掺杂碳纳米纤维薄膜的结构表征图，a为X射线光电子谱图，b为水滴在氮掺杂碳纳米薄膜正面和反面的接触角表征图，c为氮掺杂碳纳米薄膜置于水表面后的光学照片，d为氨气处理过程中氮掺杂碳纳米纤维薄膜的横截面示意图；图3为本专利技术实施例1制备Janus氮掺杂碳纳米纤维薄膜的表征图，a为制备过程示意图，b为Janus氮掺杂碳纳米纤维薄膜置于水面上以后的光学照片；图4为本专利技术试验例的表征结果图，a为试验例1，b为试验例2。具体实施方式应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本专利技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本专利技术所属
的普通技术人员通常理解的相同含义。需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本专利技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。鉴于现有Janus薄膜的制备方法存在制备过程繁琐、采用有毒或者具有高腐蚀性的化学药品等缺陷，本专利技术提出了一种Janus氮掺杂碳纳米纤维薄膜及制备方法与应用。本专利技术的一种典型实施方式，提供了一种Janus氮掺杂碳纳米纤维薄膜的制备方法，在惰性气氛中，向碳纳米纤维薄膜通入氨气与惰性气体的混合气体，加热至850～950℃，处理3～15min，获得氮掺杂碳纳米纤维薄膜；将氮掺杂碳纳米纤维薄膜一面的氮掺杂层去除获得Janus氮掺杂碳纳米纤维薄膜。经过实验发现，经过氨气热处理的碳纳米纤维薄膜能够由疏水性转变为亲水性。氨气处理时间影响碳纳米纤维薄膜转变为亲水性的程度，若处理时间过低，则导致碳纳米纤维薄膜表面无法转变为亲水性，若处理时间过高，则导致整个碳纳米纤维薄膜完全转变为亲水性，从而无法制备成一面亲水、另一面疏水的Janus薄膜。而当处理时间为3～15min时，能够保证碳纳米纤维薄膜表面变为亲水性，而内部仍为疏水性，此时将一面亲水性层去除，则能够获得Janus薄膜。该实施方式的一些实施例中，氨气与惰性气体的体积比为1:1.5～2.5。本专利技术所述的惰性气氛为惰性气体提供的气体氛围，所述惰性气体为氦气、氖气、氩气等。该实施方式的一些实施例中，氨气的流速与时间的比例为0.01：3～15，L/min：min。该实施方式的一些实施例中，碳纳米纤维薄膜的制备方法为：将第一金属片放置于第二金属盐溶液中，反应后获得基底，将乙炔在惰性气氛中加热，使乙炔在基底表面形成碳纳米纤维薄膜；其中，第一金属的金属活性高于第二金属的金属活性，第二金属为铜、铁、钴或镍。若直接利用本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Janus氮掺杂碳纳米纤维薄膜的制备方法，其特征是，在惰性气氛中，向碳纳米纤维薄膜通入氨气与惰性气体的混合气体，加热至850～950℃，处理3～15min，获得氮掺杂碳纳米纤维薄膜；将氮掺杂碳纳米纤维薄膜一面的氮掺杂层去除获得Janus氮掺杂碳纳米纤维薄膜。/n

【技术特征摘要】
1.一种Janus氮掺杂碳纳米纤维薄膜的制备方法，其特征是，在惰性气氛中，向碳纳米纤维薄膜通入氨气与惰性气体的混合气体，加热至850～950℃，处理3～15min，获得氮掺杂碳纳米纤维薄膜；将氮掺杂碳纳米纤维薄膜一面的氮掺杂层去除获得Janus氮掺杂碳纳米纤维薄膜。


2.如权利要求1所述的Janus氮掺杂碳纳米纤维薄膜的制备方法，其特征是，氨气与惰性气体的体积比为1:1.5～2.5。


3.如权利要求1所述的Janus氮掺杂碳纳米纤维薄膜的制备方法，其特征是，碳纳米纤维薄膜的制备方法为：将第一金属片放置于第二金属盐溶液中，反应后获得基底，将乙炔在惰性气氛中加热，使乙炔在基底表面形成碳纳米纤维薄膜；其中，第一金属的金属活性高于第二金属的金属活性，第二金属为铜、铁、钴或镍。


4.如权利要求3所述的Janus氮掺杂碳纳米纤维薄膜的制备方法，其特征是，第二金属盐溶液的浓度为0.05～0.15M。

【专利技术属性】
技术研发人员：赵相龙，陈婷，王惠临，庞岩涛，陈艳平，李鲁艳，时术华，
申请(专利权)人：山东建筑大学，
类型：发明
国别省市：山东;37