二维Cu-TCPP纳米片分离膜的结构调控及分离性能研究

来源 :华南理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:tfjxy
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
作为一种不需要相变的分离工艺,膜分离具有能耗低、分离效率高、占地面积小和可连续操作的优点。近年来新兴的二维材料膜不仅具有这些优点,它还能够精准调控膜的表面性质和层间结构,有望显现出超越传统材料膜的高选择性和高渗透性的优异分离性能。二维金属有机框架(2D MOFs)是一种新型二维材料,其纳米片因多样的结构、超薄的厚度和可调的化学功能等特性使得其制备的二维材料膜在气体分离、离子截留和纳滤等领域具有良好的应用前景。目前对于二维MOF膜的研究仍处于初级阶段,并面临诸多挑战。一方面,某些类型的MOF纳米片形貌丰富,或较为平坦,或存在纳米级、亚纳米级的卷曲结构,而MOF纳米片的不同形貌结构对于二维MOF膜的构筑及其分离性能的影响研究还相对空白。另一方面,目前制备二维MOF膜的方法相对较少,传统的真空抽滤法耗时长,热滴涂法制备膜的重复性和可控性相对较差,因此亟需开发操作简易、可控性强,且能实现快速成膜的制备手段。本论文针对以上两个问题,选取以中-四(4-羧基苯基)卟吩(TCPP)为配体的2D MOF材料Cu-TCPP为研究对象,分别合成了具有不同表面形貌的二维Cu-TCPP纳米片,并分别通过真空抽滤法和电泳沉积法制备成膜,探究了纳米片形貌结构及不同制膜方式这两大因素对膜结构和膜纳滤性能的影响。具体研究内容如下:首先,我们通过改变结构调节剂酸的种类,采用自下而上的方法,在表面活性剂聚乙烯吡咯烷酮的辅助下,合成了相对扁平和相对卷曲的两类具有不同形貌结构的二维Cu-TCPP纳米片。再分别通过真空抽滤法得到表面相对平整/粗糙的二维Cu-TCPP膜。通过对比发现,后者需要在更高的膜厚度(约为1170nm)下才能达到与前者(约为530 nm)相近的染料截留率(>97.0%),但其水通量表现更好,透水量约为前者(3.82 L·m-2·h-1·bar-1)的4倍,可达16.39 L·m-2·h-1·bar-1。这是由于其独特的卷曲结构可额外提供更为丰富的传质通道,从而增加了水分子的传输路径,有效提升膜的透水量。其次,我们通过电泳沉积技术将具有不同形貌结构的Cu-TCPP纳米片分别沉积在多孔基底阳极氧化铝上,发现仅在电场作用下具有卷曲结构的纳米片不能完整均匀覆盖基底,从而形成缺陷使得膜丧失分离性能。相对来说,采用具有扁平结构的纳米片电泳沉积制备的膜更为平整致密,并且可通过改变电泳沉积时间控制成膜厚度。相比真空抽滤法制备的膜(约为530 nm),采用电泳沉积制备的超薄二维Cu-TCPP膜(约为200 nm)表现出了更为优异的纳滤性能,在对同尺寸染料分子达到99.0%的截留率条件下,最高水通量提升超过1倍,可达9.40 L·m-2·h-1·bar-1,同时兼具良好的耐酸碱稳定性、耐压性和长期稳定性。本论文分别通过调控纳米片表面形貌结构和对比不同的二维纳米片组装成膜方式,对二维Cu-TCPP膜进行结构调控和性能优化,并成功提升了其纳滤性能,这为二维MOF膜的快速制备及其分离性能的优化提供了一种全新的思路。
其他文献
随着现代工业的不断发展,CO2含量逐渐超出地球所能承受的范围,并造成严重的气候和环境等问题。探索减少或利用CO2的方法尤显重要。利用可再生电能将CO2电催化还原成碳氢化合物,不但是降低CO2含量和缓解温室效应的有效方法,而且也为解决能源问题提供有效的手段。本文采用廉价的锌盐作为金属前驱体,葡萄糖、壳聚糖、三聚氰胺作为碳、氮前驱体,制备一系列锌基碳催化材料,并用于CO2电催化还原(CO2RR),主要
学位
光子晶体水凝胶是将光子晶体与水凝胶相结合,通过外界刺激使水凝胶溶胀或收缩,引起光子带隙的改变,并导致结构色的变化,从而将物理或化学信号转变为光学信号,在传感、检测等领域具有广阔的应用前景。目前光子晶体水凝胶主要采用模板法制备。其中大面积光子晶体模板通常由垂直沉积法制得,过程耗时长且制备的光子晶体膜易产生裂纹。另外,基于聚(N-异丙基丙烯酰胺)(PNIPAm)的光子晶体水凝胶由于自身传输速率慢且易发
学位
利用可再生能源进行电解水是目前最有前途的氢能生产技术之一,受到人们越来越多的关注。然而,电解水的阴极析氢反应(HER)动力学缓慢,需要使用高效的催化剂来降低过电位。到目前为止,Pt基材料仍是最高效的HER电催化剂,但其成本较高,商业应用受到极大限制。因此,开发低成本、高活性和高稳定性的HER电催化剂具有十分重要的应用价值。MOFs是一种由金属离子和有机配体组成的新型多孔材料,具有可调的孔径和结构、
学位
基于膜的反电渗析法(RED)被认为是具有较高潜力的获取渗透能量的技术。然而,传统的离子交换膜存在内阻大、效率低的问题,导致功率密度不理想。开发一种同时具有高功率密度、优异的机械强度和便于大规模生产的先进膜用于渗透能量转换仍然具有挑战性。本论文采用理论分析和实验手段相结合的方法,设计并制备了二维MXene膜和三维Kevlar纳米纤维膜,分别在渗透能转换中的应用展开了深入的研究,具体工作如下:(1)设
学位
利用非共价键增韧策略制备高强韧水凝胶是水凝胶研究的热点之一,现有该类水凝胶在组织工程、软体机器人和柔性传感器等方面的应用仍存在力学性能、功能性和水中稳定性等不足的问题。鉴于此,本论文通过溶剂交换法将席夫碱疏水单体引入水凝胶体系中,结合多种非共价键制备高强韧抗溶胀荧光水凝胶。(1)通过溶剂交换法将含喹啉结构席夫碱疏水单体QHPMA成功引入水凝胶体系中,制备了基于疏水缔合作用的P(MAA-QHPMA)
学位
锂离子电池已广泛应用于便携式电子器件和电动汽车等设备上。新能源汽车的发展对动力锂离子电池的能量密度和安全性能提出更高的要求。隔膜作为重要组成部分,对锂离子电池的性能有着显著的影响。然而,传统的聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)等聚烯烃隔膜对电解液润湿性低,热稳定性差(熔点仅为120℃-135℃),严重影响电池的性能,难以满足动力电池对于高能量密度和高安全的需求。在聚烯烃隔膜上引入无机陶瓷颗粒涂层是改善
学位
盐溶液蒸发结晶是吸收式热泵和溶液除湿等工业应用中的常见物理现象。实际应用中为了强化传热传质,溶液蒸发过程多设置在强制对流环境中。目前对于自然对流或纯水液滴的研究较多,而强制对流下盐溶液的蒸发结晶规律尚不完善。为此,本文开展了强制对流下固着盐液滴的蒸发结晶及传热传质耦合特性研究。本文主要工作集中在以下几个方面:(1)通过接触角测量仪(含高速摄像机)及红外热成像仪获取液滴蒸发过程中的瞬态形貌及温度场分
学位
随着锂电池容量的不断上升,电池热管理系统需要更高性能的冷却方案。作为电子散热元器件中不可缺少的一员,脉动热管在电池热管理系统中逐渐得到更多的应用。但在结构紧凑的电池热管理系统中,空间的局限性削弱了热管的散热能力。为了改善脉动热管的热性能,选择具有高传热能力的工质是最有效的方法之一。然而,纳米流体和复合流体由于成本高和制造复杂的缺点,很难在电池热管理中广泛地应用。因此,更易于普及的新脉动热管工质需要
学位
能源危机和环境污染是21世纪人类面临的两大挑战。化石燃料的快速消耗,导致温室效应日益严重,能源储备日益短缺,因此,人们迫切需要找到一种新的可持续的、环保的清洁能源,以缓解能源危机和环境问题。光催化分解水制氢这一新兴技术为解决能源短缺及环境污染问题提供了可能的方案。等离子体金属纳米粒子(Cu、Ag、Au等)通过表面等离子体共振(SPR)效应,可以有效地将太阳能转化为氢能。本课题研究了基于表面等离子体
学位
为解决现存双疏涂层表面的粗糙结构不耐磨、透明度低、高温下易失效等问题,本论文以常见的不锈钢铁片为基材,利用含氟丙烯酸酯改性POSS调控表面的润湿性,成功制备了具有优异性能的氟化POSS基透明低粘滞双疏涂层,其研究内容具体如下:(1)利用巯基-烯点击化学法,以四(3-巯基丙酸)季戊四醇酯(PETMP)为反应位点,采用共价键形式连接十七氟甲基丙烯酸酯(FMA)和八乙烯基笼型聚倍半硅氧烷(OVPOSS)
学位