【背景介紹】

    水資源短缺是當今社會面臨的重要資源問題之一，傳統的飲用水制備策略都是基于地下水，水循環(huán)以及自然儲備，但這遠遠不夠。相比之下，海水淡化則可以很好的解決以上問題。目前主要海水淡化技術為熱驅動蒸餾，但此法耗能高且可持續(xù)性差。膜分離技術由于耗能低、效率高，逐漸取代了傳統的海水淡化技術。開發(fā)高性能膜材料一直是研究者們追求的目標。研究發(fā)現，基于二維材料的層狀膜可以很好的實現高選擇性和高通量的水凈化，但是二維膜在水中面臨著溶脹問題，因此提高二維膜在水溶液中的穩(wěn)定性是目前面臨的主要挑戰(zhàn)。

    【工作簡介】

    針對以上問題，華南理工大學王海輝教授等人圍繞二維膜開展工作，采用簡單抽濾和離子插層策略，制備了Al³⁺插層的二維MXene膜。在保證對離子的高截留率和高水通量的前提下，很好的抑制了二維MXene膜在水溶液中的溶脹從而提高其穩(wěn)定性。所制備的插層的二維MXene膜對NaCl截留率約為~89.5–99.6%，水通量可達~ 1.1 – 8.5 l m^-2 h^-1,在水溶液中穩(wěn)定性超過400h。此工作以Effective ion sieving with Ti₃C₂T_x MXene membranes for production of drinking water from seawater為題發(fā)表在Nature Sustainability。

    【圖文導讀】

圖1. 離子插層的二維MXene膜及其抗溶脹性能。

    研究人員通過抽濾和離子插層策略制備得到Al³⁺-intercalated MXMs，相較于未經任何處理的MXMs， Al³⁺可以通過與MXene納米片表面的含氧官能團之間的相互作用而起到固定層間距的作用，進而抑制MXene膜在水溶液中的溶脹。通過對比實驗可以發(fā)現，將MXene膜從干燥環(huán)境轉移到其他各類溶液環(huán)境后，Al³⁺-intercalated MXMs的層間距參數相較于MXMs更加穩(wěn)定，這說明Al³⁺的插層有效抑制了MXene膜的溶脹。

圖2. (a) MXMs 和 Al³⁺-intercalated MXMs 的離子滲透速率: 實驗組分別為0.2 M KCl, NaCl, LiCl, CaCl₂ and MgCl₂ 溶液, (b) 對于MXMs 和 Al³⁺-intercalated MXMs, Na⁺透過率隨時間變化數據圖, (c) 模擬海水環(huán)境下，MXMs 和 Al³⁺-intercalated MXMs 的離子透過率對比，插圖為100h后對于每種陽離子的截留率，(d) 氯耐受性測試：NaClO (200 ppm)處理24h前后，MXMs 和 Al³⁺-intercalated MXMs 的Na⁺透過率對比，插圖為Na⁺截留率。

    通過在不同鹽溶液環(huán)境下，對所制備的MXene膜的分離性能進行研究，發(fā)現相對于未經處理的MXMs，Al³⁺-intercalated MXMs表現出更低的離子透過性。而穩(wěn)定性測試表明，Al³⁺-intercalated MXMs可以穩(wěn)定使用長達400h，對比之下，未處理MXMs則表現出較差穩(wěn)定性，充分說明Al³⁺插層策略有效提高其穩(wěn)定性。此外，在模擬海水環(huán)境下探究膜性能時，可以發(fā)現，對于不同類型的陽離子，Al³⁺-intercalated MXMs的透過率比未處理MXMs低50倍以上。在水處理技術中，耐氯性也是評價膜材料的一個關鍵性指標，由圖2d可知，NaClO 處理前后，Al³⁺-intercalated MXMs的離子透過率并無很大的差別，表明Al³⁺-intercalated MXMs比較好的氯耐受性。

圖3. DFT及MD（分子動力學模擬）理論計算。

    DFT和MD理論計算發(fā)現Al³⁺能夠與MXene納米片表面的含氧官能團產生較強的相互作用，這使得MXene膜能夠在水溶液保持很好的結構穩(wěn)定性。以上結果對二維膜的層間結構調控以及結構穩(wěn)定性問題的研究具有重要指導意義，所提出的策略有望進一步拓展至其他膜材料和分離領域中。

    【小結】

    作者通過借助濃差擴散成功實現Al³⁺在MXene膜中插層交聯，Al³⁺與MXene納米片表面的含氧官能團之間的相互作用使其能夠抑制二維MXene膜在水溶液中的溶脹。該離子插層的膜表現出長達400h的穩(wěn)定性，同時對NaCl截留率可達~89.5–99.6%，水通量可達~ 1.1 – 8.5 l m^-2 h^-1。本工作展現了基于MXene材料的二維膜在水處理和分子過濾方面良好的應用前景。

參考文獻：Ding L, Li L, Liu Y, et al. Effective ion sieving with Ti₃C₂T_x MXene membranes for production of drinking water from seawater. Nature Sustainability, 2020: 1-7