一种原位生长双MOF的Janus分形网络材料的制备方法、应用

本发明涉及材料表界面可调控润湿性，具体涉及一种原位生长双mof的janus分形网络材料的制备方法、应用。

背景技术：

1、大自然总是赋予人类各种最优化、最有效的分形网络结构，如血管、河流、树枝、叶脉等，这些复杂的分形网络结构具有完美的的自相似性。其中，受叶脉启发的分形网络结构成为最经典和最成功的仿生原型之一，在诸多领域都有巨大的应用潜力。叶脉被誉为植物叶片上的“血管”和“骨架”，负责以最低的能耗高效捕捉阳光和输送水分。许多研究人员通过模仿叶脉的结构进行雾水收集，但大多数都是基于3d打印技术来模仿叶脉的宏观外形，并没有采用真实的叶脉结构。尽管叶脉的分形网络结构有助于液滴的定向传输。然而，当收集的液滴在叶脉上铺展成水膜时，液滴不能被及时输运走，无法生成新鲜表面，导致其雾水收集效率大大降低。

技术实现思路

1、本发明提供了一种原位生长双mof的janus分形网络材料的制备方法、应用。通过在金属化叶脉的相对侧(正面和背面)上原位生长两种不同的mof(具有疏水性的cutcnq和具有亲水性的cubtc)从而得到一种具有不对称微观结构和润湿性梯度的janus分形金属网络。cutcnq纳米针呈仙人掌针刺状，一旦雾水在cutcnq微针的顶部成核和生长，凝结的微小液滴就会在拉普拉斯压力差和毛细管力的作用下从叶脉网络的疏水侧渗透到亲水侧，同时刷新干燥的疏水表面即可进行新一轮的雾收集。相比于传统的裸叶脉结构进行雾水收集，解决了当收集的液滴在叶脉上铺展成水膜时，液滴不能及时输运，新鲜表面无法生成，从而导致收集效率大大降低的问题。且本发明提供的方法进一步缩短工艺流程，一步法制备超疏水结构，无须额外低表面能物质进行修饰，实现无氟化处理，为开发高效绿色的雾水收集器提供设计思路。

2、本发明解决上述技术问题的方案如下：一种原位生长双mof的janus分形网络材料的制备方法，包括以下步骤：

3、1)去除叶子叶肉并清洗，得到叶脉；

4、具体操作如下：将叶子清净后，浸泡于氢氧化钠和碳酸钠混合水溶液中，加热煮沸15～20min，用毛质柔软的刷子轻轻刷去叶肉，留下完整的叶脉。紧接着将叶脉放入去离子水中超声去除残余叶肉，再放入10％的h2o2水溶液中漂白20～30min，经过离子水冲洗干净后得到叶脉。所述叶子优选为白玉兰叶子。

5、2)将叶脉置于含sn2+敏化液中浸泡5～10min，经去离子水洗净后，再分别置于含ag+活化液浸泡5～10min、甲醛溶液中浸泡5～10s，经去离子水清洗后，得到表面沉积ag纳米粒子的叶脉；

6、3)将表面沉积ag纳米粒子的叶脉浸泡在含硫酸铜的电解质溶液中进行电镀，经去离子水洗涤后干燥，得到镀铜叶脉；

7、4)将镀铜叶脉置于7,7,8,8-四氰基苯醌二甲烷/乙腈溶液加热形成的蒸汽上方，使7,7,8,8-四氰基苯醌二甲烷沉积在镀铜叶脉的一面上以形成超疏水的cutcnq薄膜；

8、具体操作如下：用高温胶带将镀铜叶脉固定在玻璃培养皿内部的上方，然后取适量的tcnq/乙腈溶液置于玻璃培养皿底部。将玻璃培养皿放置于加热台上加热，在瞬时加热下会产生大量的tcnq蒸气与玻璃培养皿顶部的cu反应生成cutcnq。最后，镀铜叶脉的正面(镀铜叶脉的背面与玻璃培养皿紧紧贴合，镀铜叶脉的正面则朝下与tcnq蒸气反应)沉积了一层黑紫色薄膜，这表明cutcnq纳米针在镀铜叶脉表面成功地生长。

9、5)然后把镀铜叶脉的另一面漂浮于亲水溶液上，反应结束后镀铜叶脉的另一面形成亲水的cubtc薄膜，清洗干燥后，得到janus分形网络集水材料。

10、本技术将叶子处理为叶脉后，置于敏化液中是为了让叶脉表面充满sn2+离子，经过活化液活化后，ag+离子被还原成ag纳米粒子并沉积在叶脉表面，而sn2+离子被氧化成sn4+，活化过程中的反应如下式所示：

11、2ag++sn2+＝2ag+sn4+

12、叶脉经过镀铜后，可以在叶脉表面进行原位生长疏水/亲水mof，同时利用叶脉的结构特点实现液滴的定向传输。镀铜叶脉的一面(正面)通过与tcnq热蒸气接触反应生成具有超疏水性的cutcnq纳米针，另一面(背面)保持漂浮于目标溶液上反应生成具有亲水性的cubtc，形成一种具有不对称微观结构和润湿性差异的janus分形金属网络。cutcnq纳米针在形态上与用于雾水收集的仙人掌锥形尖刺极为相似，这种针刺结构能够拦截雾中微米级水滴，并通过laplace压力差将液滴传输到另一侧——cubtc。cubtc被认为是适用于多种环境(干旱-潮湿-雾)集水的理想吸附剂，其棒状结构在大气集水领域应用广泛。作为一种亲水mof，cubtc不仅能快速收集微米级液滴，还能加速收集的液滴传输。

13、优选的，所述步骤2)，含sn2+敏化液中sn2+浓度为0.12～0.14mol/l。

14、所述含sn2+敏化液的制备步骤为：将4ml浓度为98％的浓硫酸、3g二水合氯化亚锡、30～40mg锡粒放入100ml去离子水中，得到敏化液。

15、优选的，所述步骤2)，含ag+活化液中ag+浓度为0.01～0.03mol/l。

16、所述活化液的制备步骤为：将0.3～0.5g硝酸银加入100ml去离子水中，滴加氨水至溶液变澄清得到活化液。

17、优选的，所述步骤3)，电解质溶液中cu2+浓度为0.03～0.05mol/l。

18、所述电解质溶液的制备方法如下：将5g五水合硫酸铜、20g酒石酸钾钠、10g乙二胺四乙酸二钠、2g氯化镍、4g氢氧化钠放入500ml去离子水中配置成电解质溶液。电解步骤具体如下：将叶脉接电源负极，石墨片接电源正极，叶脉在含铜电解质溶液中电镀20～30min，取出叶脉后用去离子水冲洗。

19、优选的，所述步骤4)，7,7,8,8-四氰基苯醌二甲烷/乙腈溶液的浓度为的浓度为1mol/l。

20、优选的，所述步骤4)，加热温度为170～220℃，加热时间为40～80min。

21、优选的，所述步骤5)，所述亲水溶液为均苯三甲酸硝酸铜混合水/乙醇溶液。

22、优选的，所述亲水溶液中，均苯三甲酸的浓度为2.1g/l，硝酸铜的浓度为3.4g/l；乙醇与水的体积比为1:7。

23、采用此浓度配比的混合溶液能保持叶脉漂浮在溶液表面，且不与叶脉正面的cutcnq超疏水薄膜接触反应。

24、优选的，所述步骤5)，反应时间为90～120min。

25、如上所述方法制得的一种原位生长双mof的janus分形网络材料在制备雾水收集器中的应用。

26、本发明的有益效果是：

27、1.本发明提供的工艺简单，原料易得，成本低廉，无毒无害；

28、2.制备的双mof的janus分形网络材料具有显著的润湿性差异，其cutcnq一侧的接触角可达156.5°，滚动角小于2°，cubtc一侧的接触角可达67.5°。

29、3.制备的双mof的janus分形网络材料雾水收集效率高，其雾水收集效率值达到1.23g/cm2/h，相比原始裸叶脉的0.42g/cm2/h，雾水收集效率提高了292.9％。

30、上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。