一种黑磷烯膜的制备及其在气体分离中的应用制造技术

本发明专利技术公开一种黑磷烯膜的制备方法及其在气体膜分离中的应用，属于二维纳米膜制备技术以及气体分离技术领域；该发明专利技术包括利用块状黑磷制备黑磷烯膜和将黑磷烯膜应用于气体分离；通过该发明专利技术公开的方法制备的黑磷烯膜具有超高的H

【技术实现步骤摘要】
一种黑磷烯膜的制备及其在气体分离中的应用
本专利技术属于纳米膜及膜法气体分离领域，具体涉及一种黑磷烯膜的制备及其在气体分离中的应用。
技术介绍
气体的纯化与分离一直是工业生产中相当重要的一部分，现行的气体分离工艺主要为精馏分离和变压吸附分离。精馏分离气体，对设备要求高，占地面积大，能耗高，操作复杂。变压吸附分离在应用时需要经常更换吸附剂，来达到良好的分离效果。为了解决这些问题，气体膜分离技术被开发出来。膜分离技术显著的特点就是能耗低，操作条件温和，分离效率高和应用场所广泛。气体膜分离技术的开发，对促进节能减排和环保具有十分重要的意义。现行膜分离材料包括聚合物膜，无机膜和二维材料膜等。聚合物膜一般机械强度较差，同时容易受到酸性气体HCl,SOX的腐蚀，且操作温度低。无机膜稳定性较好，能在高温强酸的环境下工作，但质脆，高温密封困难，需要特殊的形状和支撑系统，制备成本也较高。因此，一种理想的膜应该同时具备良好的稳定性、易制备和分离效率高的特点。目前，大多数二维材料，如石墨烯，氧化石墨烯(GO)，二硫化钼(MoS2)，金属有机框架材料(MOFs)，MXene等都已被广泛研究并用于气体分离。黑磷烯是一种新型的二维材料，具有高载流子迁移率，可调节的直接带隙，优异的物理化学性质，独特的各向异性等特点。同时已有理论计算表明单层多孔黑磷烯膜在氢气分离方面具有巨大的潜力，因此黑磷烯膜在气体分离领域具有广阔的应用前景。这里，我们研发出一种成本低，选择性高和通量高的黑磷烯膜，并用于气体分离。专利技术内容本专利技术提供一种黑磷烯膜在气体分离中的应用，以此来改进现有的气体分离技术。该黑磷烯膜能用于工业氢气提纯和二氧化碳捕获。一种黑磷烯膜在气体分离中的应用，其特征在于，包括以下步骤：(1)将黑磷烯膜放入气体分离装置中，然后在进料侧通入不同动力学直径的待分离的混合气体；(2)在吹扫测通入吹扫气；(3)将步骤(2)的吹扫气通入气相色谱仪中进行检测，即可得到不同气体的渗透通量以及选择性；进一步的，所述(1)中黑磷烯膜的厚度为1-3μm；混合气体为氢气(H2)动力学直径为0.29nm、二氧化碳(CO2)动力学直径为0.33nm、氮气(N2)动力学直径为0.364nm、甲烷(CH4)动力学直径为0.4nm、氧气(O2)动力学直径为0.346nm中的一种以上；进一步的，所述(2)中吹扫气为氩气；吹扫气的流量为10-1000ml/min；本专利技术的另一目的在于提供一种黑磷烯膜制备方法，包括以下步骤：步骤一：将块状黑磷在有机盐的有机溶剂中进行电化学剥离，得到膨胀的黑磷；步骤二：将膨胀的黑磷加到有机溶剂中，超声，离心洗涤，所得上层清液即是含有黑磷烯纳米片的溶液；步骤三：将步骤二中所得含有黑磷烯纳米片的分散液通过纳米组装技术堆积到基底上，干燥，即得黑磷烯膜；进一步的，所述步骤一中所述有机盐为四丁基溴化铵和四丁基四氟硼酸铵中的一种；有机溶剂为乙腈、N,N-二甲基甲酰胺和N-甲基吡咯烷酮(NMP)中的一种；所述的黑磷与有机盐的质量比为1:12；所述的有机盐与有机溶剂质量体积比为1.2g:20ml；所述的电化学剥离，采用电源为直流稳压电源；电压为3-10V；电流为1-15mA；进一步的，所述步骤二中所述的有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)中的一种；所述的黑磷与有机溶剂质量体积比为0.1g:80ml；所述超声功率为300-500W；超声时间为1-3小时，超声温度为0-10℃；所述离心的转速为3000-13000rpm；离心时间为5-60min；所述的洗涤为用去离子水洗涤3-10次；进一步的，所述步骤三中所述的黑磷烯纳米片的溶液浓度为0.01-5mg/ml；所述的纳米组装技术为旋转涂覆法、喷雾法、自然干燥法和真空抽滤法中的一种；所述的基底为阳极氧化铝AAO膜基底，孔径为200nm，直径为10-200mm；所述的干燥条件为鼓风干燥箱干燥、冷冻干燥、真空干燥中的一种或一种以上；所述的干燥温度为10℃-80℃：干燥的时间为10-72小时。本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术的黑磷烯膜用于分离含有H2的混合气体时，具有高的H2透量以及高的气体选择性，所制备的高度有序黑磷烯膜在气体分离膜中具有良好的应用前景；(2)本专利技术的黑磷烯膜能够轻松从基底上剥落，成为独立自支撑的膜，且具有良好的机械性能与柔性，不需要任何基底，制备过程简单，能耗低，在实际应用中能极大的节约成本。附图说明图1为实例1制备的黑磷烯膜。图2为实例1制备的黑磷烯膜截面扫面电镜图。图3为实例1制备的黑磷烯膜应用于气体分离的透量分析图。图4为实例1制备的黑磷烯膜应用于气体分离的选择性分析图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式，对本专利技术作进一步说明。实施例1一种黑磷烯膜的制备方法，包括以下步骤：(1)先将1.2g四丁基溴化铵溶解于20ml乙腈中，作为电解液；取0.1g块状黑磷，切成若干小块，分次采用直流稳压电源和配制好的电解液进行电化学剥离，得到膨胀的黑磷；(2)将所得膨胀黑磷加入到80mlN,N-二甲基甲酰胺(DMF)中，超声90分钟，然后在3000rpm的转速下离心10分钟，取上清液，在8000rpm的转速下离心洗涤，将所得黑磷烯分散到60ml超纯水中，所得即是含有黑磷烯纳米片的分散液，浓度为0.16mg/ml；(3)将上述含黑磷烯纳米片的溶液通过真空抽滤，堆积到孔径为200nm，直径为15mm的氧化铝基底上，在真空干燥箱35℃下干燥12小时后即可得黑磷烯膜；本实施例的黑磷烯膜在气体膜分离中的应用：将黑磷烯膜放入气体分离装置中，在进料侧分别通入H2/CO2,H2/N2,H2/CH4和H2/O2的混合气(流速均为100ml/min)，体积比均为1：1，吹扫侧通入Ar(流速均为200ml/min)再通入气相色谱中进行检测；实验测得各种气体的渗透通量为：PH2＝1021GPU，PN2＝18GPU，PCO2＝13GPU，PCH4＝24GPU和PO2＝17GPU(1GPU＝3.3928×10-10molm-2s-1Pa-1)。结果如图3所示；分离选择性分别为H2/N2＝56.7，H2/CO2＝78.5，H2/CH4＝42.5和H2/O2＝60，结果如图4所示。实施例2一种黑磷烯膜的制备方法，包括以下步骤：(1)先将1g四丁基四氟硼酸铵溶解于20mlN,N-二甲基甲酰胺(DMF)中，作为电解液；取0.1g块状黑磷，切成若干小块，分次采用直流稳压电源和配制好的电解液进行电化学剥离，得到膨胀的黑磷；(2)将所得膨胀黑磷加入到80mlN-甲基吡咯烷酮(NMP)中，超声90分钟，然后在3500rpm的转速下离心10分钟，取上清液，在9000rpm的转速下离心洗涤，将所得黑磷烯分散到60ml超纯水中，所得即是含有黑磷烯纳米片本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种黑磷烯膜在气体分离中的应用，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)将黑磷烯膜放入气体分离装置中，然后在进料侧通入不同动力学直径的待分离的混合气体；/n(2)在吹扫测通入吹扫气；/n(3)将步骤(2)的吹扫气通入气相色谱仪中进行检测，即可得到不同气体的渗透通量以及选择性。/n

【技术特征摘要】
1.一种黑磷烯膜在气体分离中的应用，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将黑磷烯膜放入气体分离装置中，然后在进料侧通入不同动力学直径的待分离的混合气体；
(2)在吹扫测通入吹扫气；
(3)将步骤(2)的吹扫气通入气相色谱仪中进行检测，即可得到不同气体的渗透通量以及选择性。


2.根据权利要求1所述一种黑磷烯膜在气体分离中的应用，其特征在于，所述所述(1)中黑磷烯膜的厚度为1-3μm；混合气体为氢气(H2)动力学直径为0.29nm、二氧化碳(CO2)动力学直径为0.33nm、氮气(N2)动力学直径为0.364nm、甲烷(CH4)动力学直径为0.4nm、氧气(O2)动力学直径为0.346nm中的一种以上。


3.根据权利要求1所述一种黑磷烯膜在气体分离中的应用，其特征在于，所述(2)中吹扫气为氩气；吹扫气的流量为10-1000ml/min。


4.一种黑磷烯膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：将块状黑磷在有机盐的有机溶剂中进行电化学剥离，得到膨胀的黑磷；
步骤二：将膨胀的黑磷加到有机溶剂中，超声，离心洗涤，所得上层清液即是含有黑磷烯纳米片的溶液；
步骤三：将步骤二中所得含有黑磷烯纳米片的分散液通过纳米组装技术堆积到基底上，干燥，即得黑磷烯膜。


5.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈鑫智，骆家明，刘艳奇，廉培超，梅毅，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：云南;53