【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。開發高性能膜材料一直是研究者們追求的目標。研究發現，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定性是目前面臨的主要挑戰。

    【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現，將MXene膜從干燥環境轉移到其他各類溶液環境后，Al³⁺-intercalated MXMs的層間距參數相較于MXMs更加穩定，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境下，對所制備的MXene膜的分離性能進行研究，發現相對于未經處理的MXMs，Al³⁺-intercalated MXMs表現出更低的離子透過性。而穩定性測試表明，Al³⁺-intercalated MXMs可以穩定使用長達400h，對比之下，未處理MXMs則表現出較差穩定性，充分說明Al³⁺插層策略有效提高其穩定性。此外，在模擬海水環境下探究膜性能時，可以發現，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定性。以上結果對二維膜的層間結構調控以及結構穩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