【背景介紹】

水資源短缺是當(dāng)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(dòng)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(biāo)。研究發(fā)現(xiàn)，基于二維材料的層狀膜可以很好的實(shí)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(dá)~ 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。

【圖文導(dǎo)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(jīng)任何處理的MXMs， Al3+可以通過與MXene納米片表面的含氧官能團(tuán)之間的相互作用而起到固定層間距的作用，進(jìn)而抑制MXene膜在水溶液中的溶脹。通過對比實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，將MXene膜從干燥環(huán)境轉(zhuǎn)移到其他各類溶液環(huán)境后，Al3+-intercalated MXMs的層間距參數(shù)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。

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圖2. (a) MXMs 和 Al3+-intercalated MXMs 的離子滲透速率: 實(shí)驗(yàn)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(shí)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(jìn)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(dá)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(shí)，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(jià)膜材料的一個(gè)關(guān)鍵性指標(biāo)，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(dòng)力學(xué)模擬）理論計(jì)算。

DFT和MD理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)Al3+能夠與MXene納米片表面的含氧官能團(tuán)產(chǎn)生較強(qiáng)的相互作用，這使得MXene膜能夠在水溶液保持很好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。以上結(jié)果對二維膜的層間結(jié)構(gòu)調(diào)控以及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性問題的研究具有重要指導(dǎo)意義，所提出的策略有望進(jìn)一步拓展至其他膜材料和分離領(lǐng)域中。

【小結(jié)】

作者通過借助濃差擴(kuò)散成功實(shí)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(tuán)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(dá)400h的穩(wěn)定性，同時(shí)對NaCl截留率可達(dá)~89.5–99.6%，水通量可達(dá)~ 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。

蘇州浦宏環(huán)?？萍加邢薰臼且患覍Ｗ?/span>水處理設(shè)備的廠家，主要產(chǎn)品有RO反滲透設(shè)備，中水回用設(shè)備，EDI高純水設(shè)備,海水淡化設(shè)備，軟化水設(shè)備，超濾設(shè)備、去離子水設(shè)備，工業(yè)廢水污水處理設(shè)備等各種水處理技術(shù)的研發(fā)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)、安裝調(diào)試等一體化企業(yè)。商務(wù)咨詢：178-1187-2518 王工