CN112646212B - 一种聚苯胺包覆的金属有机框架纳米阵列薄膜的制备方法及其产品和应用 - Google Patents

一种聚苯胺包覆的金属有机框架纳米阵列薄膜的制备方法及其产品和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种聚苯胺包覆的金属有机框架纳米阵列薄膜的制备方法：1)制备氢氧化物纳米线溶液，真空抽滤得到氢氧化物纳米线薄膜；2)将有机配体和苯胺单体溶于乙醇和水的混合溶液，得到苯胺/有机配体溶液，将氢氧化物纳米线薄膜置于苯胺/有机配体溶液中，室温反应后得到金属有机框架纳米阵列薄膜；3)将苯胺单体和引发剂过硫酸铵溶于乙醇，将金属有机框架纳米阵列薄膜置于苯胺单体和过硫酸铵混合溶液中，室温反应后得到聚苯胺包覆的金属有机框架纳米阵列薄膜。该方法实现了将薄层聚苯胺包覆在金属有机框架纳米阵列表面，得到了具有良好光热性海水淡化性能和蒸发诱导的发电性能的薄膜并且实现了海水淡化和蒸发诱导发电的一体化应用。

Description

一种聚苯胺包覆的金属有机框架纳米阵列薄膜的制备方法及 其产品和应用
技术领域
本发明涉及金属有机框架物薄膜的制备方法，具体涉及一种聚苯胺包覆的金属有机框架纳米阵列薄膜的制备方法及其产品和应用。
背景技术
金属有机框架物薄膜是一种厚度在纳米至微米范围、附着于基质上的多孔功能薄膜，它具有高孔隙率、低密度、大比表面积、孔道规则、孔径可调以及拓扑结构多样 性和等优点，在催化、储能、分离和药物运输中都有广泛应用。如公开号为 CN108335919A的中国专利公开了一种金属有机框架/导电聚合物复合材料、其制备方 法及在可编织、柔性、纤维状的超级电容器中的应用。本发明以碳纤维束作为电极基 底，以电沉积金属有机框架/导电聚合物复合材料为电极活性材料，以聚乙烯醇-电解 质凝胶为固体电解质和隔膜，制备所得纤维状超级电容器表现出优异的电容性能、良 好的机械柔性、较宽的工作温度范围、及稳定的长期服役寿命，易于直接编织集成于 纺织品中，为可穿戴移动设备提供高效储能系统。
聚苯胺是一种由苯胺单体在引发剂的作用下进行聚合得到的一种导电高分子。聚苯胺具有很好的成膜性、高化学稳定性、好的导电性和易制备等这些特点，使其成为了很重要的高分子材料。如公开号为CN104492490A的中国专利公开了一种具有高效光催化活性的氧化锌-聚苯胺复合光催化材料，其由氧化锌及附着在氧化锌表面的聚苯胺层组成，在氧化锌与聚苯胺层之间不存在表面活性剂或硅烷偶联剂。上述的具有高效光催化活性的氧化锌-聚苯胺复合光催化材料的制备方法为：首先以具有稳定纳米粒子功能的苯胺单体替代传统的表面活性剂，制备纳米氧化锌，然后在纳米氧化锌表面附着一层聚苯胺层而获得。由于在纳米氧化锌与聚苯胺之间不存在绝缘的表面活性层、硅烷偶联剂层，光催化过程中产生的光生电荷可迅速通过导电聚苯胺传递，降低了光生电子与光生电荷复合的几率，提高了材料的光催化活性。
能源紧缺和淡水资源匮乏一直是大家所重点关注的问题，如果能够同时解决这两个棘手的难题，成为人们研究的重点。如何进一步地将拥有如此多优点的金属有机框架物和导电高分子应用到解决这种问题的过程中具有十分重大的研究意义。
发明内容
本发明提供了一种制备聚苯胺包覆的金属有机框架纳米阵列薄膜的方法，并且制备的薄膜具有良好的光热性能，能够应用于蒸发诱导的发电和光热海水淡化等领域。
本发明提供如下技术方案：
一种聚苯胺包覆的金属有机框架纳米阵列薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)制备氢氧化物纳米线溶液，真空抽滤得到氢氧化物纳米线薄膜；
(2)将有机配体和苯胺单体溶于乙醇和水的混合溶液,得到苯胺/有机配体溶液,将氢氧化物纳米线薄膜置于苯胺/有机配体溶液中，室温反应后得到金属有机框架纳米阵列薄膜；
(3)将苯胺单体和引发剂过硫酸铵溶于乙醇，将金属有机框架纳米阵列薄膜置于苯胺单体和过硫酸铵混合溶液中，室温反应后得到聚苯胺包覆的金属有机框架纳米阵列薄膜。
在步骤(2)中，室温反应2小时；在步骤(3)中，室温反应2～24小时。
在步骤(1)中，所述氢氧化物纳米线溶液为氢氧化铜纳米线溶液；在步骤(2) 中，所述有机配体溶液为均苯三甲酸水和乙醇混合溶液；在步骤(3)中所述聚苯胺包覆的金属有机框架纳米阵列薄膜为PANI/[Cu2(OH)(BTC)(H2O)]n·2H2O。
所述的有机配体的浓度为5～10mM。
所述氢氧化铜纳米线溶液的制备方法为：
(1-1)将乙醇胺加入水溶液中，得到乙醇胺水溶液；
(1-2)将硝酸铜加入水溶液中，得到硝酸铜溶液；
(1-3)将乙醇胺溶液与硝酸铜溶液混合，搅拌，反应生成氢氧化锌纳米线溶液。
在步骤(1-3)中，反应时间为24小时。
所述的乙醇胺溶液的浓度为1.6mM；所述的硝酸铜溶液浓度为4mM。
在步骤(2)中，所述的均苯三甲酸溶液浓度为5～10mM，水和乙醇体积比为1:1，苯胺单体的浓度为1％～10％(体积分数)。
在步骤(3)中，所述的引发剂过硫酸铵的浓度为10mg/ml，苯胺单体、引发剂和溶剂乙醇的体积比为1:1～1.5:20。
作为优选，在步骤(3)中，当反应时间为24小时，制备的聚苯胺包覆的金属有机框架纳米阵列薄膜光热性能最好。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1.本发明通过原位聚合的方法将聚苯胺包覆在金属有机框架纳米阵列的表面，使得薄膜同时具有来自聚苯胺的高的光吸收率和良好的光热转换效率以及来自金属有机框架纳米阵列的超亲水性和蒸发诱导的发电性能，此外，良好的光热性能对蒸发诱导的发电性能有着促进的作用。
2.本发明得到的薄膜能够同时实现光热海水淡化以及蒸发诱导的发电，两者协同作用使得产水发电一体化。
3.避免了高温以及复杂有机合成步骤，反应在常温下即可进行，操作简单，耗能低，无污染，快速高效。
附图说明
图1为实施例2-7中聚苯胺包覆的金属有机框架纳米阵列薄膜的制备流程图；
图2为实施例1中制备的金属有机框架纳米阵列薄膜的表面扫描电子显微镜图；
图3为实施例6中制备的聚苯胺包覆的金属有机框架纳米阵列薄膜的表面和断面扫描电子显微镜图；
图4为应用例1中将实施例2-6中制备的聚苯胺包覆的金属有机框架纳米阵列薄膜进行干态下光照升温的光学和红外照片；
图5为应用例2中将实施例1、6中制备的金属有机框架纳米阵列薄膜以及聚苯胺包覆的金属有机框架纳米阵列薄膜用作光热水蒸发的光吸收体，进行光热水蒸发的测试的照片；
图6为应用例2中将实施例1、6中制备的金属有机框架纳米阵列薄膜以及聚苯胺包覆的金属有机框架纳米阵列薄膜作为光吸收体在相同光照强度下水的质量变化曲线；
图7为应用例3中将实施例6制备聚苯胺包覆的金属有机框架纳米阵列薄膜用作蒸发诱导的发电的材料的产电测试装置图；
图8为应用例3中将实施例6制备金属有机框架纳米阵列薄膜以及聚苯胺包覆的金属有机框架纳米阵列薄膜用作蒸发诱导的发电的材料所产生的电压和电流图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
本发明中氢氧化铜纳米线溶液的制备方法为：
将乙醇胺加入水溶液中，得到乙醇胺水溶液；将硝酸铜加入水溶液中，得到硝酸铜溶液；将乙醇胺溶液与硝酸铜溶液混合，搅拌，反应生成氢氧化铜纳米线溶液。反应时间为24小时。所述的乙醇胺溶液的浓度为1.6mM；所述的硝酸铜溶液浓度为4mM。
下列实施例中所用的氢氧化铜参数可以根据实际需要进行调整，也可以采用现有技术中的其他方法制备或采用现成溶液。
实施例1
1)将30ml氢氧化铜纳米线溶液真空抽滤在聚四氟乙烯(PVDF)多孔膜上，形成一层纳米线膜。聚四氟乙烯(PVDF)多孔膜的直径为5cm，孔径为220nm。
2)将纳米线膜放入10ml，5mM均苯三甲酸溶液中(乙醇与水的体积为1:1)，并且加入0.1ml苯胺单体，室温反应2小时。反应后用同样比例的混合溶剂洗涤3次，得到[Cu2(OH)(BTC)(H2O)]n·2H2O金属有机框架纳米阵列薄膜。
实施例1制备的金属有机框架纳米阵列薄膜的表面扫描电子显微镜图见图2。
实施例2
本实施例提供的聚苯胺包覆的金属有机框架纳米阵列薄膜的制备流程如图1所示：
1)将30ml氢氧化铜纳米线溶液真空抽滤在聚四氟乙烯(PVDF)多孔膜上，形成一层纳米线膜。聚四氟乙烯(PVDF)多孔膜的直径为5cm，孔径为220nm。
2)将纳米线膜放入10ml，5mM均苯三甲酸溶液中(乙醇与水的体积为1:1)，并且加入0.1ml苯胺单体，室温反应2小时。反应后用同样比例的混合溶剂洗涤3次，得到[Cu2(OH)(BTC)(H2O)]n·2H2O金属有机框架纳米阵列薄膜。
3)金属有机框架纳米阵列薄膜放入11ml，苯胺单体和引发剂过硫酸铵的混合乙醇溶液中，过硫酸铵浓度为10mg/ml，苯胺单体、过硫酸铵和溶剂乙醇的体积比为1:1： 20，室温反应2小时。得到PANI/[Cu2(OH)(BTC)(H2O)]n·2H2O聚苯胺包覆的金属有机框架纳米阵列薄膜。
实施例3
1)将30ml氢氧化铜纳米线溶液真空抽滤在聚四氟乙烯(PVDF)多孔膜上，形成一层纳米线膜。聚四氟乙烯(PVDF)多孔膜的直径为5cm，孔径为220nm。
2)将纳米线膜放入10ml，5mM均苯三甲酸溶液中(乙醇与水的体积为1:1)，并且加入0.1ml苯胺单体，室温反应2小时。反应后用同样比例的混合溶剂洗涤3次，得到[Cu2(OH)(BTC)(H2O)]n·2H2O金属有机框架纳米阵列薄膜。
3)金属有机框架纳米阵列薄膜放入11ml，苯胺单体和引发剂过硫酸铵的混合乙醇溶液中，过硫酸铵浓度为10mg/ml，苯胺单体、过硫酸铵和溶剂乙醇的体积比为1:1： 20，室温反应4小时。得到PANI/[Cu2(OH)(BTC)(H2O)]n·2H2O聚苯胺包覆的金属有机框架纳米阵列薄膜。
实施例4
1)将30ml氢氧化铜纳米线溶液真空抽滤在聚四氟乙烯(PVDF)多孔膜上，形成一层纳米线膜。聚四氟乙烯(PVDF)多孔膜的直径为5cm，孔径为220nm。
2)将纳米线膜放入10ml，5mM均苯三甲酸溶液中(乙醇与水的体积为1:1)，并且加入0.1ml苯胺单体，室温反应2小时。反应后用同样比例的混合溶剂洗涤3次，得到[Cu2(OH)(BTC)(H2O)]n·2H2O金属有机框架纳米阵列薄膜。
3)金属有机框架纳米阵列薄膜放入11ml，苯胺单体和引发剂过硫酸铵的混合乙醇溶液中，过硫酸铵浓度为10mg/ml，苯胺单体、过硫酸铵和溶剂乙醇的体积比为1:1： 20，室温反应8小时。得到PANI/[Cu2(OH)(BTC)(H2O)]n·2H2O聚苯胺包覆的金属有机框架纳米阵列薄膜。
实施例5
1)将30ml氢氧化铜纳米线溶液真空抽滤在聚四氟乙烯(PVDF)多孔膜上，形成一层纳米线膜。聚四氟乙烯(PVDF)多孔膜的直径为5cm，孔径为220nm。
2)将纳米线膜放入10ml，5mM均苯三甲酸溶液中(乙醇与水的体积为1:1)，并且加入0.1ml苯胺单体，室温反应2小时。反应后用同样比例的混合溶剂洗涤3次，得到[Cu2(OH)(BTC)(H2O)]n·2H2O金属有机框架纳米阵列薄膜。
3)金属有机框架纳米阵列薄膜放入11ml，苯胺单体和引发剂过硫酸铵的混合乙醇溶液中，过硫酸铵浓度为10mg/ml，苯胺单体、过硫酸铵和溶剂乙醇的体积比为1:1： 20，室温反应12小时。得到PANI/[Cu2(OH)(BTC)(H2O)]n·2H2O聚苯胺包覆的金属有机框架纳米阵列薄膜。
实施例6
1)将30ml氢氧化铜纳米线溶液真空抽滤在聚四氟乙烯(PVDF)多孔膜上，形成一层纳米线膜。聚四氟乙烯(PVDF)多孔膜的直径为5cm，孔径为220nm。
2)将纳米线膜放入10ml，5mM均苯三甲酸溶液中(乙醇与水的体积为1:1)，并且加入0.1ml苯胺单体，室温反应2小时。反应后用同样比例的混合溶剂洗涤3次，得到[Cu2(OH)(BTC)(H2O)]n·2H2O金属有机框架纳米阵列薄膜。
3)金属有机框架纳米阵列薄膜放入11ml，苯胺单体和引发剂过硫酸铵的混合乙醇溶液中，过硫酸铵浓度为10mg/ml，苯胺单体、过硫酸铵和溶剂乙醇的体积比为1:1： 20，室温反应24小时。得到PANI/[Cu2(OH)(BTC)(H2O)]n·2H2O聚苯胺包覆的金属有机框架纳米阵列薄膜。
实施例6制备的聚苯胺包覆的金属有机框架纳米阵列薄膜的表面和断面扫描电子显微镜图见图3。
应用例1
将实施例2-6分别制备得到的聚苯胺包覆的金属有机框架纳米阵列薄膜进行干态下升温的测试，在一个太阳光强度(1KW/m2)的照射时间为5分钟，得到的相应的红外照片、实物图以及相应的温度，结果如图4所示。光照下干态的聚苯胺包覆的金属有机框架纳米阵列薄膜的升温量随着反应时间的增长而增加，并且颜色也逐渐变深，反应时间为24h，得到的样品光热性能最好。
应用例2
将实施例1-2分别制备得到的金属有机框架纳米阵列薄膜以及聚苯胺包覆的金属有机框架纳米阵列薄膜用作光热水蒸发的光吸收体，进行光热水蒸发的测试，如图5 所示。薄膜的直径为2cm，光照强度为1KW/m2，光照时间为1h。不同薄膜作为光吸收体在相同光照强度下水的质量变化曲线，如图6所示。实施例2得到的薄膜作为光吸收体时，水蒸发速率为1.442kg m-2h-1，水蒸发能量转换效率为90.8％，展现了良好的光热水蒸发的性能，在光热水蒸发领域显示出了巨大的潜力。
应用例3
将实施例6制备的金属有机框架纳米阵列薄膜以及聚苯胺包覆的金属有机框架纳米阵列薄膜用作蒸发诱导的发电的材料，测试装置如图7所示。薄膜的尺寸为3.5 cm×1cm，倾斜角度为45°，光照强度为1KW/m2，薄膜下端浸入溶液中，用铜片作为电极材料，测试薄膜两端产生的电能。相对于基底PVDF而言，聚苯胺包覆的金属有机框架纳米阵列薄膜，能够产生更大电压、电流以及更大的输出功率，如图8所示。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种聚苯胺包覆的金属有机框架纳米阵列薄膜的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
（1）制备氢氧化物纳米线溶液，真空抽滤得到氢氧化物纳米线薄膜；
（2）将有机配体和苯胺单体溶于乙醇和水的混合溶液，得到苯胺/有机配体溶液，将氢氧化物纳米线薄膜置于苯胺/有机配体溶液中，室温反应后得到金属有机框架纳米阵列薄膜；
（3）将苯胺单体和引发剂过硫酸铵溶于乙醇，将金属有机框架纳米阵列薄膜置于苯胺单体和过硫酸铵混合溶液中，室温反应后得到聚苯胺包覆的金属有机框架纳米阵列薄膜；
在步骤（1）中，所述氢氧化物纳米线溶液为氢氧化铜纳米线溶液；在步骤（2）中，所述有机配体溶液为均苯三甲酸水和乙醇混合溶液；在步骤（3）中所述聚苯胺包覆的金属有机框架纳米阵列薄膜为PANI/[Cu2(OH)(BTC)(H2O)]n•2H2O。
2.根据权利要求1所述的聚苯胺包覆的金属有机框架纳米阵列薄膜的制备方法，其特征在于，在步骤（2）中，室温反应2小时；在步骤（3）中，室温反应2~24小时。
3.根据权利要求1所述的聚苯胺包覆的金属有机框架纳米阵列薄膜的制备方法，其特征在于，所述氢氧化铜纳米线溶液的制备方法为：
（1-1）将乙醇胺加入水溶液中，得到乙醇胺水溶液；
（1-2）将硝酸铜加入水溶液中，得到硝酸铜溶液；
（1-3）将乙醇胺溶液与硝酸铜溶液混合，搅拌，反应生成氢氧化铜纳米线溶液。
4.根据权利要求3所述的聚苯胺包覆的金属有机框架纳米阵列薄膜的制备方法，其特征在于，所述的乙醇胺溶液的浓度为1.6mM；所述的硝酸铜溶液浓度为4mM。
5.根据权利要求1所述的聚苯胺包覆的金属有机框架纳米阵列薄膜的制备方法，其特征在于，在步骤（2）中，所述的均苯三甲酸溶液浓度为5~10 mM，水和乙醇体积比为1:1，苯胺单体的浓度为1%~10%。
6.根据权利要求1所述的聚苯胺包覆的金属有机框架纳米阵列薄膜的制备方法，其特征在于，在步骤（3）中，所述的引发剂过硫酸铵的浓度为10 mg/ml，苯胺单体、引发剂和溶剂乙醇的体积比为1:1~1.5:20。
7.一种根据权利要求1-6任一所述的制备方法制备得到的聚苯胺包覆的金属有机框架纳米阵列薄膜。
8.一种根据权利要求7所述的聚苯胺包覆的金属有机框架纳米阵列薄膜在蒸发诱导发电和光热海水淡化上的应用。
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