华南理工王海辉教授：高效Ti3C2Tx MXene离子分离膜助力海水淡化制备饮用水

【背景介绍】

水资源短缺是当今社会面临的重要资源问题之一，传统的饮用水制备策略都是基于地下水，水循环以及自然储备，但这远远不够。相比之下，海水淡化则可以很好的解决以上问题。目前主要海水淡化技术为热驱动蒸馏，但此法耗能高且可持续性差。膜分离技术由于耗能低、效率高，逐渐取代了传统的海水淡化技术。开发高性能膜材料一直是研究者们追求的目标。研究发现，基于二维材料的层状膜可以很好的实现高选择性和高通量的水净化，但是二维膜在水中面临着溶胀问题，因此提高二维膜在水溶液中的稳定性是目前面临的主要挑战。

【工作简介】

针对以上问题，华南理工大学王海辉教授等人围绕二维膜开展工作，采用简单抽滤和离子插层策略，制备了Al3+插层的二维MXene膜。在保证对离子的高截留率和高水通量的前提下，很好的抑制了二维MXene膜在水溶液中的溶胀从而提高其稳定性。所制备的插层的二维MXene膜对NaCl截留率约为~89.5–99.6%，水通量可达~ 1.1 – 8.5 l m-2 h-1,在水溶液中稳定性超过400h。此工作以Effective ion sieving with Ti3C2Tx MXene membranes for production of drinking water from seawater为题发表在Nature Sustainability。

【图文导读】

图1. 离子插层的二维MXene膜及其抗溶胀性能。

研究人员通过抽滤和离子插层策略制备得到Al3+-intercalated MXMs，相较于未经任何处理的MXMs， Al3+可以通过与MXene纳米片表面的含氧官能团之间的相互作用而起到固定层间距的作用，进而抑制MXene膜在水溶液中的溶胀。通过对比实验可以发现，将MXene膜从干燥环境转移到其他各类溶液环境后，Al3+-intercalated MXMs的层间距参数相较于MXMs更加稳定，这说明Al3+的插层有效抑制了MXene膜的溶胀。

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图2. (a) MXMs 和 Al3+-intercalated MXMs 的离子渗透速率: 实验组分别为0.2 M KCl, NaCl, LiCl, CaCl2 and MgCl2 溶液, (b) 对于MXMs 和 Al3+-intercalated MXMs, Na+透过率随时间变化数据图, (c) 模拟海水环境下，MXMs 和 Al3+-intercalated MXMs 的离子透过率对比，插图为100h后对于每种阳离子的截留率，(d) 氯耐受性测试：NaClO (200 ppm)处理24h前后，MXMs 和 Al3+-intercalated MXMs 的Na+透过率对比，插图为Na+截留率。

通过在不同盐溶液环境下，对所制备的MXene膜的分离性能进行研究，发现相对于未经处理的MXMs，Al3+-intercalated MXMs表现出更低的离子透过性。而稳定性测试表明，Al3+-intercalated MXMs可以稳定使用长达400h，对比之下，未处理MXMs则表现出较差稳定性，充分说明Al3+插层策略有效提高其稳定性。此外，在模拟海水环境下探究膜性能时，可以发现，对于不同类型的阳离子，Al3+-intercalated MXMs的透过率比未处理MXMs低50倍以上。在水处理技术中，耐氯性也是评价膜材料的一个关键性指标，由图2d可知，NaClO 处理前后，Al3+-intercalated MXMs的离子透过率并无很大的差别，表明Al3+-intercalated MXMs比较好的氯耐受性。

图3. DFT及MD（分子动力学模拟）理论计算。

DFT和MD理论计算发现Al3+能够与MXene纳米片表面的含氧官能团产生较强的相互作用，这使得MXene膜能够在水溶液保持很好的结构稳定性。以上结果对二维膜的层间结构调控以及结构稳定性问题的研究具有重要指导意义，所提出的策略有望进一步拓展至其他膜材料和分离领域中。

【小结】

作者通过借助浓差扩散成功实现Al3+在MXene膜中插层交联，Al3+与MXene纳米片表面的含氧官能团之间的相互作用使其能够抑制二维MXene膜在水溶液中的溶胀。该离子插层的膜表现出长达400h的稳定性，同时对NaCl截留率可达~89.5–99.6%，水通量可达~ 1.1 – 8.5 l m-2 h-1。本工作展现了基于MXene材料的二维膜在水处理和分子过滤方面良好的应用前景。