水資源短缺是當今社會面臨的重要資源問題之一，傳統(tǒng)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(shù)為熱驅(qū)動蒸餾，但此法耗能高且可持續(xù)性差。膜分離技術(shù)由于耗能低、效率高，逐漸取代了傳統(tǒng)的海水淡化技術(shù)。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(xiàn)，基于二維材料的層狀膜可以很好的實現(xiàn)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(xué)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 Ti3C2Tx MXene membranes for production of drinking water from seawater為題發(fā)表在Nature Sustainability。

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(shù)據(jù)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(xiàn)相對于未經(jīng)處理的MXMs，Al³⁺-intercalated MXMs表現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)，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(shù)中，耐氯性也是評價膜材料的一個關(guān)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。

【小結(jié)】

作者通過借助濃差擴散成功實現(xiàn)Al3+在MXene膜中插層交聯(lián)，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(xiàn)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(xiàn)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(yīng)用前景。