【原】顶刊《Advanced Materials》综述：用于先进分离膜的MXene材料

一、研究背景

随着工业化进程的加快，环境与能源问题日益突出，分离膜应用也逐渐广泛，分离膜是一种特殊的、具有选择性透过功能的薄层物质，它能使流体内的一种或几种物质透过，而其他物质不透过，从而起到浓缩和分离纯化的作用。自膜技术问世以来，微滤膜、离子交换膜、反渗透膜、超滤膜、气体膜分离等相继得到广泛应用，由于其可在维持原生物体系环境的条件下实现分离，并可高效地浓缩、富集产物，有效地去除杂质，加之操作方便，结构紧凑、能耗低，过程简化，无二次污染，且不需添加化学物品，正逐步成为食品工业及医药中的基本单位操作过程。

MXene材料是一类具有二维层状结构的金属碳化物和金属氮化物材料，其外形类似于片片相叠的薯片。MXene材料的化学式为Mn+1AXn, 其中(n = 1–3)，M代表早期过渡金属，比如Sc、Ti、Zr、V、Nb、Cr或者Mo；A通常代表第三主族和第四主族化学元素；X代表C或N元素，MXene材料目前已经被广泛应用于超级电容器、锂离子电池、钠离子电池、锂硫电池、催化和重金属离子吸附等领域。MXene分离膜因其优异性能近年来受到广泛研究，具有巨大的应用前景。

二、研究成果

近日，韩国科学技术高等学院Tae-Hyun Bae教授课题组系统综述了MXene材料的制备方法和理化特性，包含剥离、分散稳定性和可加工性，作者介绍了文献中报道的不同形式的MXene基分离膜，包括原始的或插层的纳米层状物和聚合物基纳米复合材料。对迄今为止MXene膜的主要工艺进行了评估，包括气体分离，废水处理，脱盐和有机溶剂纯化。这篇综述为材料科学和膜领域提供了重要的见解，为探索MXene在先进分离膜方面的应用潜力提供了参考。该项研究总结以“MXene Materials for Designing Advanced Separation Membranes”为题发表在国际顶级期刊《Advanced Materials》上。

论文链接：

https://onlinelibrary./doi/10.1002/adma.201906697

从图1可以看出，有关MXene的论文近年来激增，引发广泛关注。图2显示合成MXene的主要方法有两种：（1）化学气相沉积（CVD）（自下而上的方法）；（2）选择性蚀刻母体材料（通常为MAX相），然后进行剥离（自上而下的方法）。而目前通常使用的是自上而下的MXene合成方法。

图1近年来MXene相关文献统计

图2 MXene纳米片合成路线

图3 MXene的二维形态

图4MXene膜在气体分离方面的应用

图5 MXene膜水处理应用。

图6 MXene膜脱盐应用。a）用于离子筛分的纳米层压MXene（Ti3C2Tx）膜的俯视图和b）的放大断面图。c）通过MXene和GO纳米层压膜的不同阳离子的渗透速率。d）含价阳离子Ti3C2Tx膜的去离子水和盐溶液的水通量；e）在露天大气下一次阳光照射下，PDMS改性的PVDF和PVDF支持的MXeneNLM随时间变化的加热曲线。f）在一个阳光照射下，具有不同Ti3C2Tx负载的MXene-PVDF膜的水蒸发速率；g–j）在太阳脱盐24小时之前（g，i）和之后（h，j），MXene膜的亲水（g，h）和疏水性（i，j）。k）基于MXene的疏水性纳米层压膜针对不同阳离子的光热脱盐性能

图7 MXene膜用于有机溶剂纯化

三、结论与展望

MXene自发现之初就受到了研究者的广泛关注，因为它具有典型的二维材料特性，本文系统综述了MXene纳米片的制备、自身特性以及在分离纯化中的应用研究，介绍了MXene膜在高性能分离/纯化应用中的现状和前景，在气体分离、水处理、海水脱盐和有机溶剂纳滤等方面都有优异的性能。MXenes具有抗菌、光热和催化活性，为实际应用提供了潜力。迄今为止，MXenes在溶剂纯化方面也显示出很大的成功，如纳米层状薄膜以及作为聚合物基复合膜的填料。

作者最后还提出了MXene膜的未来展望，从战略上着眼于四个潜在的研究方向：（1）研究如何扩大膜的应用，（2）研究膜形式的扩展，（3）结合模拟/建模方法优化性能（4）研究如何实现大规模制备方法，降低成本。MXene分离膜在实际应用方面有巨大潜力，制备工艺的改善以及性能的提升对于加快应用进程有重要意义！（文：溪风）