CN115055169A - 一种超双疏3D-MXene空心微球粉体及其制备方法 - Google Patents

一种超双疏3D-MXene空心微球粉体及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种超双疏3D‑MXene空心微球粉体及其制备方法，涉及3D‑MXene制备领域。超双疏3D‑MXene空心微球粉体由疏水或超疏水MXene/碳量子点杂化空心微球(HSMX/CQDs)结合其表面覆盖的全氟癸基硅氧烷组成。将疏水或超疏水HSMX/CQDs加入到全氟癸基硅氧烷乙醇溶液中，搅拌超声再搅拌得到悬浮液；将悬浮液真空抽滤并洗涤干燥固化。本发明将亲水性2D‑MXene纳米片层构筑成具有超双疏性的3D‑MXene空心微球粉体，显著降低了其表面能。该粉体展现出优良的超双疏性能，能够广泛应用于环境保护、防污和防腐等领域。

Description

一种超双疏3D-MXene空心微球粉体及其制备方法
技术领域
本发明涉及3D-MXene制备领域，具体涉及一种超双疏3D-MXene空心微球粉体及其制备方法。
背景技术
超双疏(超疏水和超疏油)材料因对水和油类物质具有极大的排斥作用而拥有优异的自清洁性能，在油水分离、防污和防腐等诸多领域有着广阔的应用前景。二维MXene(2D-MXene)是一种新型的二维过渡金属碳化物或氮化物，因其自身独特的性能和丰富的表面官能团，已被广泛应用于环境保护和电磁屏蔽等领域。为拓展其在实际应用中的潜力，大量研究倾向将2D-MXene构筑成三维结构MXene(3D-MXene)。牺牲模板法是一种工艺简单、安全环保的将2D-MXene构筑成3D-MXene的方法，其中所采用的牺牲模板如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微球和阳离子型聚苯乙烯(CPS)微球，不仅成本低廉而且易于获取。本申请发明人团队提出的中国专利申请(申请号为202110821947.9)，通过牺牲CPS模板构筑了MXene/碳量子点杂化空心微球(HSMX/CQDs)，在提高该材料表面粗糙度的同时，获得了水接触角为133.0°的疏水性或水接触角为156.4°的超疏水性的3D-MXene空心微球粉体，实现了亲水性2D-MXene向疏水性或者超疏水性3D-MXene的转变。这种工艺制备的3D-MXene空心微球粉体虽然具有疏水性或超疏水性，但是对油类物质依然具有良好的润湿性，因此在防污、自清洁等领域中的应用仍然受到了限制。有鉴于此，本发明在前述发明创造的基础上，通过全氟癸基硅氧烷对HSMX/CQDs进行改性，进一步降低其表面能，从而获得具有优良超双疏性能的3D-MXene空心微球粉体，扩大其应用领域。
发明内容
本发明通过全氟癸基硅氧烷对制备的HSMX/CQDs进行改性，从而获得具有优良超双疏性能的3D-MXene空心微球粉体，能够广泛应用于环境保护、防污和防腐等领域。
本发明所采用的技术方案为：一种超双疏3D-MXene空心微球粉体，由疏水或超疏水HSMX/CQDs结合表面覆盖的全氟癸基硅氧烷组成，具有超疏水和超疏油性能。
一种超双疏3D-MXene空心微球粉体的制备方法，步骤如下：
步骤一：将全氟癸基硅氧烷加入到无水乙醇中，再加入适量去离子水，磁力搅拌，得到全氟癸基硅氧烷乙醇溶液；
步骤二：将疏水或超疏水HSMX/CQDs加入到全氟癸基硅氧烷乙醇溶液中，搅拌超声后再磁力搅拌，得到由全氟癸基硅氧烷改性的HSMX/CQDs悬浮液；
步骤三：将悬浮液真空抽滤并洗涤，一定温度条件下干燥固化，从而得到具有超双疏性的3D-MXene空心微球粉体。
作为本发明的优选技术方案，制备方法步骤一中，全氟癸基硅氧烷选自全氟癸基三乙氧基硅烷或全氟癸基三甲氧基硅烷，全氟癸基硅氧烷在全氟癸基硅氧烷乙醇溶液中质量分数为15～25％。去离子水与无水乙醇的质量比为1：300～600。磁力搅拌时间为1～3h。
作为本发明的优选技术方案，制备方法步骤二中，疏水或超疏水HSMX/CQDs与全氟癸基硅氧烷乙醇溶液的质量比为1：300～700。搅拌超声1～2min后磁力搅拌2～4h。
作为本发明的优选技术方案，制备方法步骤三中，干燥固化温度为80～120℃，时间为12～24h。
全氟癸基硅氧烷不仅可以改善材料的表面疏水性，同时能够改善材料的表面疏油性，使材料具备超双疏性。本发明正是利用这一点，在制备HSMX/CQDs独特的微纳结构基础上，通过全氟癸基硅氧烷改性降低其表面能，从而获得具有超双疏性的3D-MXene空心微球粉体。与现有技术相比，本发明的有益效果表现在：
本发明将亲水性2D-MXene纳米片层构筑成具有超双疏性的3D-MXene空心微球粉体，显著降低了其表面能。该粉体展现出优良的超双疏性能，能够广泛应用于环境保护、防污和防腐等领域。
附图说明
图1是实施例2制备的超双疏3D-MXene空心微球粉体的水接触角(a)和石蜡油接触角(b)。
图2是实施例3制备的超双疏3D-MXene空心微球粉体的水接触角(a)和石蜡油接触角(b)。
图3是实施例4制备的超双疏3D-MXene空心微球粉体的水接触角(a)和石蜡油接触角(b)。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明做出进一步的详述。
实施例1
制备疏水或超疏水HSMX/CQDs，包括以下步骤：
1、称取碳铝钛和氟化锂粉末各0.5g依次加入到50mL离心管中，依次加入2.5mL去离子水和7.5mL浓盐酸，保鲜膜封住离心管口后扎孔，40rpm磁力搅拌48h，离心清洗至pH为7，取100mL去离子水溶解沉淀物，在19℃下超声分散45min，4000rpm离心5min取上清液，获得MXene分散液，浓度为4mg/mL。
2、将4mL去离子水与36mL甲醇混合，再加入0.1mL DMC，220rpm机械搅拌10min，将0.036g AIBN加入到4mL苯乙烯中，待AIBN溶解完全后加入到上述混合液中，升温至80℃，在氮气保护下反应6h，用无水乙醇和去离子水反复离心洗涤后获得CPS乳白色沉淀；加入20mL去离子水超声分散30min获得CPS分散液，浓度为50mg/mL。
3、将25mL上述MXene分散液与20mL上述CPS分散液混合磁力搅拌，CPS与MXene质量比为10∶1，搅拌速度为1000rpm，于室温下搅拌120min；CPS@MXene在-56℃温度下冷冻24h，干燥时间为72h；高温热处理去除CPS模板是以5℃/min的速率升温至410℃，在氮气氛围下保温时间为2h。
该实施例所得的HSMX/CQDs呈现三维蜂窝状多孔结构，由半球状MXene空心微球结合MXene纳米片层组成，其孔径约750nm。碳量子点附着在MXene空心微球上，碳量子点晶格间距为0.35±0.02nm。微观结构表明中空MXene半球与MXene纳米片层的堆积方式促进了纳米折叠结构的形成，提高了HSMX/CQDs的表面粗糙度(Ra约为122nm)。通过测试接触角和滚动角可知该HSMX/CQDs(CPS与MXene质量比为10∶1时制备)具有超疏水性。
作为对比，将步骤3调整为：将25mL上述MXene分散液与6mL上述CPS分散液混合磁力搅拌，CPS与MXene质量比为3∶1。其他步骤完全相同。由其扫描电镜图可知，通过调控CPS与MXene之间的比例，可以形成不同微观形态的产物，随着MXene添加量的增加，产物形态由半球状向球状转变。同时，通过测试接触角和滚动角可知该HSMX/CQDs(CPS与MXene质量比为3∶1时制备)不具备超疏水性能，仅具有疏水性能。
实施例2
超双疏3D-MXene空心微球粉体的制备，步骤如下：
步骤一：量取2.96g全氟癸基三乙氧基硅氧烷加入到11.85g无水乙醇中，加入30μL去离子水，磁力搅拌2h，得到质量分数为20％的全氟癸基三乙氧基硅氧烷乙醇溶液。
步骤二：称取30mg实施例1制备的疏水HSMX/CQDs(CPS与MXene质量比为3：1制备得到)加入到全氟癸基三乙氧基硅氧烷乙醇溶液中，搅拌超声1min后磁力搅拌3h。真空抽滤并用无水乙醇反复洗涤，在100℃下干燥固化16h，得到具有超双疏性的3D-MXene空心微球粉体。
图1a和b分别是实施例2制备的超双疏3D-MXene空心微球粉体的水接触角和石蜡油接触角。如图1所示，本发明实施例2所得的超双疏3D-MXene空心微球粉体的水接触角测量对应图a，其水接触角为165.8°，油接触角测量对应图b，其接触角为154.4°，说明该粉体具有超双疏性。
实施例3
超双疏3D-MXene空心微球粉体的制备，步骤同实施例2，区别仅在于将全氟癸基三乙氧基硅氧烷替换成全氟癸基三甲氧基硅氧烷。
图2a和b分别是实施例3制备的超双疏3D-MXene空心微球粉体的水接触角和石蜡油接触角。如图2所示，本发明实施例3所得的超双疏3D-MXene空心微球粉体的水接触角测量对应图a，其水接触角为156.7°，油接触角测量对应图b，其接触角为151.0°，说明该粉体具有超双疏性。
实施例4
超双疏3D-MXene空心微球粉体的制备，步骤同实施例2，区别在于将全氟癸基三乙氧基硅氧烷替换成全氟癸基三甲氧基硅氧烷，将疏水HSMX/CQDs替换成实施例1制备的超疏水HSMX/CQDs(CPS与MXene质量比为10：1制备得到)。
图3a和b分别是实施例4制备的超双疏3D-MXene空心微球粉体的水接触角和石蜡油接触角。如图3所示，本发明实施例4所得的超双疏3D-MXene空心微球粉体的水接触角测量对应图a，其水接触角为167.8°，油接触角测量对应图b，其接触角为153.6°，说明该粉体具有超双疏性。
以上内容仅仅是对本发明的构思所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的构思或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种超双疏3D-MXene空心微球粉体，其特征在于，由疏水或超疏水MXene/碳量子点杂化空心微球(HSMX/CQDs)结合表面覆盖的全氟癸基硅氧烷组成，具有超疏水和超疏油性能。
2.一种制备如权利要求1所述超双疏3D-MXene空心微球粉体的方法，其特征在于，步骤如下：
步骤一：将全氟癸基硅氧烷加入到无水乙醇中，再加入适量去离子水，磁力搅拌，得到全氟癸基硅氧烷乙醇溶液；
步骤二：将疏水或超疏水HSMX/CQDs加入到全氟癸基硅氧烷乙醇溶液中，搅拌超声后再磁力搅拌，得到由全氟癸基硅氧烷改性的HSMX/CQDs悬浮液；
步骤三：将悬浮液真空抽滤并洗涤，一定温度条件下干燥固化，从而得到具有超双疏性的3D-MXene空心微球粉体。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤一中全氟癸基硅氧烷选自全氟癸基三乙氧基硅烷或全氟癸基三甲氧基硅烷。
4.如权利要求2或3所述的方法，其特征在于，步骤一中全氟癸基硅氧烷在全氟癸基硅氧烷乙醇溶液中质量分数为15～25％。
5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤一中去离子水与无水乙醇的质量比为1：300～600。
6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤一中磁力搅拌时间为1～3h。
7.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤二中疏水或超疏水HSMX/CQDs与全氟癸基硅氧烷乙醇溶液的质量比为1：300～700。
8.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤二中搅拌超声1～2min后磁力搅拌2～4h。
9.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤三中干燥固化温度为80～120℃，时间为12～24h。
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