CN110170253A - 二维/一维异质纳米通道膜、其制备方法及应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种二维/一维异质纳米通道膜的制备方法，具有这样的特征，包括包括以下步骤：步骤一，将氧化石墨烯溶于哌嗪水溶液中，室温下超声，得到均匀分散的第一溶液；步骤二，将第一溶液滴加到多孔氧化铝薄膜的上层，待溶剂在室温下蒸发后，得到具有氧化石墨烯膜层和多孔氧化铝膜层的第一复合膜；步骤三，将均苯三甲酰氯溶液滴加到第一复合膜的氧化石墨烯膜层的上表面，进行干燥，得到二维/一维异质纳米通道膜。本发明提供了一种利用上述方法制备而成的二维/一维异质纳米通道膜，及其在盐差能转换上的应用。

Description

二维/一维异质纳米通道膜、其制备方法及应用
技术领域
本发明属于能源技术领域，具体涉及一种二维/一维异质纳米通道膜、其制备方法及应用。
背景技术
随着社会的不断发展，石化能源不断地耗竭，当今世界面临着亟待解决的能源危机。面对当前的能源现状，人类必须采取新的措施去探索可以代替石化能源的新的清洁能源。盐差能，存在于江河入海口处，是一种潜在的蓝色能源。一种较为传统的方法是通过采用阴阳离子交换膜来捕获存在于海水与淡水之间的盐差能，即反向电渗析技术，但是其存在离子传输空间位阻比较大，功率密度过低，离子传输过程中会存在浓差极化现象等问题。
近期有报道表明，使用具有规整几何结构和离子选择性的人工仿生纳米离子通道代替传统的离子交换膜，可以成功地将盐差能转换为电能，并具有较高的能量密度。人工仿生纳米离子通道不仅克服了生物纳米通道脆弱、不稳定的缺点，还可以通过构建不同的通道结构进而赋予纳米通道膜不同的离子传输性能，例如类似二极管的离子整流特性，离子选择性等。近年来，利用介孔二氧化硅或片层状石墨烯等多孔或层状材料进行纳米离子通道研究取得了巨大的进展。但目前的研究并不完善，还存在膜材料制备工艺复杂、制造成本高、效率低下等问题。
面对当前纳米通道膜材料领域存在的瓶颈，开发一种制备工艺简单、制造成本低，具有较高能量转换能力的纳米离子通道膜材料尤为重要。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供二维/一维异质纳米通道膜、其制备方法及应用。
本发明提供了一种二维/一维异质纳米通道膜的制备方法，具有这样的特征，包括包括以下步骤：步骤一，将氧化石墨烯溶于哌嗪水溶液中，室温下超声，得到均匀分散的第一溶液；步骤二，将第一溶液滴加到多孔氧化铝薄膜的上层，待溶剂在室温下蒸发后，得到具有氧化石墨烯膜层和多孔氧化铝膜层的第一复合膜；步骤三，将均苯三甲酰氯溶液滴加到第一复合膜的氧化石墨烯膜层的上表面，进行干燥，得到二维/一维异质纳米通道膜。
在本发明提供的二维/一维异质纳米通道膜的制备方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤一中，氧化石墨烯为单层氧化石墨烯，片径0.5μm～5μm，厚度0.8nm～1.2nm。
在本发明提供的二维/一维异质纳米通道膜的制备方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤一中，哌嗪水溶液的浓度为0.5wt％，氧化石墨烯与哌嗪水溶液的质量体积比为0.02g：10mL～0.05g：10mL。
在本发明提供的二维/一维异质纳米通道膜的制备方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤一中，超声时间为2.5h～3h。步骤二中，蒸发时间为2h～5h。
在本发明提供的二维/一维异质纳米通道膜的制备方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤二中，多孔氧化铝薄膜中的多孔氧化铝的平均孔径为80nm，孔隙率为1.55×1011/cm2，厚度60μm。
在本发明提供的二维/一维异质纳米通道膜的制备方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤二中，第一溶液的体积与多孔氧化铝薄膜的上层的表面积之比为2.1×10- 4m3：1m2～2.8×10-4m3：1m2。
在本发明提供的二维/一维异质纳米通道膜的制备方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤三中，均苯三甲酰氯溶液的溶剂为环己烷，浓度为1wt％，均苯三甲酰氯溶液的体积与氧化石墨烯膜层的上表面的面积之比为3×10-5m3：1m2～4×10-5m3：1m2。
在本发明提供的二维/一维异质纳米通道膜的制备方法中，还可以具有这样的特征：其中，步骤三中，进行干燥的具体过程为：先在60℃烘箱中烘干1h～2h，再在60℃真空干燥箱中真空干燥2h～4h。
本发明提供了一种二维/一维异质纳米通道膜，具有这样的特征：根据上述任意一项所述的二维/一维异质纳米通道膜的制备方法制备而成。
本发明提供了一种二维/一维异质纳米通道膜在盐差能转换上的应用。
发明的作用与效果
根据本发明所涉及的二维/一维异质纳米通道膜的制备方法，因为该方法首先将氧化石墨烯溶于哌嗪水溶液中制成第一溶液，从而对氧化石墨烯进行插层化学修饰，从而增大离子通量；然后，将第一溶液加到多孔氧化铝薄膜的上层从而形成第一复合膜，该第一复合膜以多孔氧化铝作为基底，能够降低整个复合膜的厚度，并且多孔氧化铝具有直通的通道，可以在很大程度上减小离子传输的内阻，另外多孔氧化铝表面孔隙率高，能够增加离子传输的通量，这在一定程度上也增加了能量转换密度；最后，将均苯三甲酰氯溶液滴加到氧化石墨烯膜层的上表面，干燥后得到二维/一维异质纳米通道膜，在此步骤中，均苯三甲酰氯能够与氧化石墨烯片层之间的氧化石墨烯分子快速反应交联，提高氧化石墨烯膜层在水中的稳定性，并提高了膜表面的电荷密度，对离子传输起到了推进的作用。因此，制备得到的二维/一维异质纳米通道膜具有很高的能量转换能力。
此外，本方法制备得到的二维/一维异质纳米通道膜为非对称的通道结构，并且，其氧化石墨烯膜层带负电荷，大孔氧化铝层显正电，从而形成了不对称性的电荷分布，进而表现出离子整流特性。
另外，本方法合成步骤简单、条件温和可控，适于工业化生产应用。
此外，由于二维/一维异质纳米通道膜为功能化的氧化石墨烯二维材料沉积在多孔氧化铝(AAO)一维纳米通道上层，氧化石墨烯(GO)片层之间可以作为离子传输的通道，并且，由于上下两层膜材料之间具有不同的化学组成，通道结构以及表面电荷分布的不对称性，使得该二维/一维异质纳米通道膜具有优异的离子选择性；在离子传输过程中大大降低了浓差极化现象，即具有优越的离子传输性能；还具有良好的盐差能转换能力，即能量转换效率。因此，非常适合应用在盐差能的转换上，为能源危机问题提供了新的解决方案。
附图说明
图1是本发明的实施例一中的二维/一维异质纳米通道膜的SEM截面图；
图2是本发明的实施例一中的二维/一维异质纳米通道膜的接触角测试图；
图3是本发明的实施例二中的离子传输性能测试装置的结构示意图；
图4是本发明的实施例二中的二维/一维异质纳米通道膜的离子传输缩略图；
图5是本发明的实施例二中的二维/一维异质纳米通道膜的传输性能分析图；
图6是本发明的实施例二中的二维/一维异质纳米通道膜的离子选择性性能分析图；以及
图7是本发明的实施例三中的二维/一维异质纳米通道膜的盐差能转化为电能性能分析图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明二维/一维异质纳米通道膜、其制备方法及应用作具体阐述。
<实施例一>
本实施例提供了一种二维/一维异质纳米通道膜及其制备方法。
二维/一维异质纳米通道膜的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤一，将氧化石墨烯改性。即，将0.02g～0.05g氧化石墨烯溶于10mL的0.5wt％哌嗪水溶液中，室温下以70％～90％的超声功率剧烈超声2.5h～3h，得到均匀分散的第一溶液。其中，氧化石墨烯为单层氧化石墨烯，片径0.5μm～5μm，厚度0.8nm～1.2nm。
在本实施例中，氧化石墨烯的质量为0.03g，超声功率为80％，超声时间为3h。
步骤二，将第一溶液滴加到多孔氧化铝薄膜的上层，待溶剂在室温下自然蒸发2h～5h后，得到具有氧化石墨烯膜层和多孔氧化铝膜层的第一复合膜，该第一复合膜为异质结构，其上层的氧化石墨烯膜层为二维材料，下层的多孔氧化铝膜层为一维材料。其中，第一溶液的体积与多孔氧化铝薄膜的上层的表面积之比为2.1×10-4m3：1m2～2.8×10-4m3：1m2。多孔氧化铝薄膜中的多孔氧化铝的平均孔径为80nm，孔隙率为1.55×1011/cm2，厚度60μm。
在本实施例中，第一溶液的体积与多孔氧化铝薄膜的上层的表面积之比为2.5×10-4m3：1m2，自然蒸发的的时间为3h。
步骤三，对氧化石墨烯表面进行进一步改性。即，将1wt％均苯三甲酰氯环己烷溶液滴加到第一复合膜的氧化石墨烯膜层的上表面，静置1min后，置于60℃烘箱中烘干1h～2h，再在60℃真空干燥箱中真空干燥2h～4h，得到二维/一维异质纳米通道膜，该二维/一维异质纳米通道膜具有功能化的GO膜层和AAO膜层。其中，均苯三甲酰氯环己烷溶液的体积与氧化石墨烯膜层的上表面的面积之比为3×10-5m3：1m2～4×10-5m3：1m2。
在本实施例中，均苯三甲酰氯环己烷溶液的体积与氧化石墨烯膜层的上表面的面积之比为3.5×10-5m3：1m2，在60℃烘箱中烘干1h，在60℃真空干燥箱中干燥3h。
图1是本发明的实施例一中的二维/一维异质纳米通道膜的SEM截面图。
如图1所示，图1(a)、图1(b)、图1(c)分别为通过以上方法制备得到的二维/一维异质纳米通道膜的膜截面在不同放大倍数下的电镜图。从图1可以看出，本实施例所制备的二维/一维异质纳米通道膜的上、下层界面清晰，上层功能化的氧化石墨烯膜层的厚度约为2μm。
图2是本发明的实施例一中的二维/一维异质纳米通道膜的接触角测试图。
如图2所示，本实施例所制备的二维/一维异质纳米通道膜表面亲水，因此，有利于离子在膜表面进行传输。
<实施例二>
本实施例为对实施例一制备的二维/一维异质纳米通道膜进行离子传输性能测试。
图3是本发明的实施例二中的离子传输性能测试装置的结构示意图。其中，图3(a)为双半电导池，图3(b)为测试用硅片的照片。
离子传输性能测试采用如图3所示离子传输性能测试装置，该装置包括：两个半电导池，二维/一维异质纳米通道膜夹在两个电导池中间，膜两侧放有硅片，硅片中间具有小窗，利用硅片来确定离子传输的面积为3×10-8m2。在测试过程中采用两个银氯化银电极，使用皮安计来监测记录电流的大小，二维/一维异质纳米通道膜的多孔氧化铝(AAO)一侧连接负极，功能化氧化石墨烯(GO)一侧连接正极。
本发明制备得到的复合膜材料具有通道结构，组成以及表面电荷非对称的特点，具有一定的整流特性，即在相同绝对值的正负电压下可以获得不同大小的电流值(绝对值)。
图4是本发明的实施例二中的二维/一维异质纳米通道膜的离子传输缩略图。图5是本发明的实施例二中的二维/一维异质纳米通道膜的传输性能分析图。
如图5(a)所示，在0.01M的氯化钾溶液中，整流比可以达到最大值2.05。为了进一步说明二维/一维异质纳米通道膜的整流特性，分别测试了未组装的单独的氧化石墨烯膜(如图5(b)所示)和未组装的单独的多孔氧化铝膜(如图5(c)所示)的离子传输特性图，从图中5(b)、图5(c)可以看出，单独的AAO膜或单独的GO膜没有显示出整流电流电压响应。进一步证明了二维/一维异质纳米通道膜因通道形状以及表面电荷的非对称结构而具有了独特的离子整流特性。
配置一系列具有浓度梯度的氯化钾溶液，在两个电导池中加入相同浓度的KCl溶液，可以得到不同浓度下离子传输的电导图，如图5(d)所示，当溶液浓度小于0.01M时，跨膜离子电导明显偏离本体值(虚线)，展现出良好的表面电荷控制的离子传输性能。
图6是本发明的实施例二中的二维/一维异质纳米通道膜的离子选择性性能分析图。
将二维/一维异质纳米通道膜放置在两个电导池中间，两边的电导池中分别放置不同浓度的KCl溶液(高浓度为0.1M，低浓度为1μM)，在整个测试过程中AAO膜层一侧始终接皮安计的负极，功能化GO膜层的一侧始终连接皮安计的正极，测试结果如图6中的曲线(a)所示，然后交换两侧的浓度，测试结果如图6中的曲线(b)所示。
如图6所示，高浓度电解质溶液置于GO侧(曲线(a))时，k+电流(正偏置)远大于Cl-电流(负偏置)，表现出很强的阳离子选择性。对于反浓度梯度(曲线(b))，k+电流(正偏置)也远大于Cl-电流(负偏置)，膜表现出很强的阳离子选择性。
<实施例三>
本实施例为将实施例一制备的二维/一维异质纳米通道膜应用于盐差能转换测试。
实验装置仍为图3(a)所示的双半电导池，采用银氯化银电极，使用皮安计监测电流的大小。测试过程中采用0.5M NaCl溶液来模拟海水，0.01M NaCl溶液模拟淡水。将高浓度的海水放到功能化的GO膜层一侧的电导池中，并连接皮安计的正极；将淡水放到功能化的AAO膜层一侧的电导池中，并连接皮安计的负极。将盐差能转化的电能导出到外部电路中，利用电阻箱模拟电路器件，通过调节电阻箱，得到不同阻值下的电流，从而得到电流密度与功率密度曲线图。
图7是本发明的实施例三中的二维/一维异质纳米通道膜的盐差能转化为电能性能分析图。
图7(a)为不同浓度梯度下，开路电压(Uoc)、短路电流密度(Isc)随浓度梯度的变化趋势。如图7(a)所示，GO侧的浓度高于AAO侧的浓度，Uoc和Isc均随着浓度梯度的增大而增大。
图7(b)为不同电阻下的电流密度与能量密度曲线图。从图7(b)中可以看出，本发明的最大能量密度可以达到4.04W/m2。这种非对称异质结构之所以可以实现如此高的能量密度，是由于本发明构建了其非对称的表面电荷分布，并利用功能分子修饰氧化石墨烯膜表面，提高膜表面电荷密度，在离子传输过程中降低了膜两侧的浓差极化，从而提高了能量密度。
上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种二维/一维异质纳米通道膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，将氧化石墨烯溶于哌嗪水溶液中，室温下超声，得到均匀分散的第一溶液；
步骤二，将所述第一溶液滴加到多孔氧化铝薄膜的上层，待溶剂在室温下蒸发后，得到具有氧化石墨烯膜层和多孔氧化铝膜层的第一复合膜；
步骤三，将均苯三甲酰氯溶液滴加到所述第一复合膜的所述氧化石墨烯膜层的上表面，进行干燥，得到二维/一维异质纳米通道膜。
2.根据权利要求1所述的二维/一维异质纳米通道膜的制备方法，其特征在于：
其中，步骤一中，所述氧化石墨烯为单层氧化石墨烯，片径0.5μm～5μm，厚度0.8nm～1.2nm。
3.根据权利要求1所述的二维/一维异质纳米通道膜的制备方法，其特征在于：
其中，步骤一中，所述哌嗪水溶液的浓度为0.5wt％，
所述氧化石墨烯与所述哌嗪水溶液的质量体积比为0.02g：10mL～0.05g：10mL。
4.根据权利要求1所述的二维/一维异质纳米通道膜的制备方法，其特征在于：
其中，步骤一中，超声时间为2.5h～3h。
步骤二中，蒸发时间为2h～5h。
5.根据权利要求1所述的二维/一维异质纳米通道膜的制备方法，其特征在于：
其中，步骤二中，所述多孔氧化铝薄膜中的多孔氧化铝的平均孔径为80nm，孔隙率为1.55×1011/cm2，厚度60μm。
6.根据权利要求1所述的二维/一维异质纳米通道膜的制备方法，其特征在于：
其中，步骤二中，所述第一溶液的体积与所述多孔氧化铝薄膜的上层的表面积之比为2.1×10-4m3：1m2～2.8×10-4m3：1m2。
7.根据权利要求1所述的二维/一维异质纳米通道膜的制备方法，其特征在于：
其中，步骤三中，所述均苯三甲酰氯溶液的溶剂为环己烷，浓度为1wt％，
所述均苯三甲酰氯溶液的体积与所述氧化石墨烯膜层的上表面的面积之比为3×10- 5m3：1m2～4×10-5m3：1m2。
8.根据权利要求1所述的二维/一维异质纳米通道膜的制备方法，其特征在于：
其中，步骤三中，进行干燥的具体过程为：先在60℃烘箱中烘干1h～2h，再在60℃真空干燥箱中真空干燥2h～4h。
9.一种二维/一维异质纳米通道膜，其特征在于：根据权利要求1-8中任意一项所述的二维/一维异质纳米通道膜的制备方法制备而成。
10.如权利要求9所述的二维/一维异质纳米通道膜在盐差能转换上的应用。
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