膜分离技术由于具有能耗低、效率高、安全性高和操作简单等特点，逐渐被大量的应用在了各种分离领域，尤其是水处理领域。膜分离技术中最关键的就是膜材料。开发具有高通量、高选择性和高稳定性的膜材料一直是研究者们探究的热点。
近年来，基于二维材料（2D materials）的分离膜的出现，为膜技术的发展提供了新的发展方向和思路。当前的一些研究发现二维膜能够同时实现高通量和高选择性，有望打破传统分离膜的trade-off效应。然而，要将二维膜应用于实际的水处理过程中仍面临着有待解决的难题：溶胀（Swelling）。由于溶胀，二维膜在水溶液中的结构稳定性会变差，进而其选择性和寿命会严重衰减。因此，研究者们从未停止开发在水溶液中稳定、抗溶胀的二维分离膜。
针对这一问题，华南理工大学王海辉教授与德国汉诺威大学Caro教授团队合作，报道了一种抗溶胀的二维MXene离子分离膜。相关论文近期发表于Nature Sustainability（《自然-可持续》）。
在这项研究中，基于二维Ti3C2Tx 这种MXene材料，利用一种简单的离子插层交联的方法，制备出了在水溶液中稳定、抗溶胀的二维MXene离子分离膜。经过Al3+离子插层交联的MXene膜能够有效截留溶液中的NaCl（~89.5–99.6%），同时水通量也达到了~1.1–8.5 L m-2 h-1。更重要的是，其对离子的截留性能能在水溶液中保持400小时以上，Al3+离子的插层交联有效的抑制了二维MXene膜在水溶液中的溶胀问 题。DFT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。具体实验过程和相关数据如图所示。
图1. Al3+离子插层交联的示意图以及抗溶胀结果
图2. 原始的膜以及Al3+离子插层交联的膜的离子分离性能对比
图3. DFT以及MD理论计算结果
该文章第一作者为在站博士后丁力博士，共同通讯作者为华南理工大学的王海辉教授和魏嫣莹研究员、德国汉诺威大学Jürgen Caro教授。华南理工大学为该论文的第一单位，该研究受国家自然科学基金委、广东省自然科学基金委、中国博士后科学基金资助。
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Effective ion sieving with Ti3C2Tx MXene membranes for production of drinking water from seawater
Li Ding, Libo Li, Yanchang Liu, Yi Wu, Zong Lu, Junjie Deng, Yanying Wei*, Jürgen Caro *, Haihui Wang*
Nat. Sustain., 2020, DOI: 10.1038/s41893-020-0474-0
导师介绍
王海辉
https://www.x-mol.com/university/faculty/16827
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