【本期推薦】趙興雷，葉艤，寧晨君，等｜二維MXene膜在分離與凈化領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展

作者簡(jiǎn)介

趙興雷（1977—），博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，研究方向?yàn)槎趸疾都⒗门c封存，E-mail：zhaoxinglei@cnpc.com.cn。

范文琦（1997—），博士，工程師，研究方向?yàn)槎趸疾都⒗门c封存，E-mail：fan-wenqi@cnpc.com.cn。

二維MXene膜在分離與凈化領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展

趙興雷 1,2
葉艤 1,2寧晨君 1,2劉龍杰 1,2范文琦 1,2
孫偉 1,2薛明 1,2

1. 中國(guó)石油集團(tuán)安全環(huán)保技術(shù)研究院有限公司，北京 102206；2. 石油石化污染物控制與處理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206

摘 要 MXene作為新型二維過渡金屬碳化物/氮化物材料，憑借其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和豐富的表面官能團(tuán)，在分離與凈化領(lǐng)域展現(xiàn)出優(yōu)異性能。結(jié)合有關(guān)理論及實(shí)驗(yàn)研究成果，介紹了MXene膜的后處理穩(wěn)定性、電學(xué)性能和機(jī)械性能等物理化學(xué)特性，綜述了MXene膜在氣體分離與捕集、離子篩分、水體凈化和有機(jī)溶劑純化等領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展。盡管MXene膜在分離與凈化領(lǐng)域展現(xiàn)出較大應(yīng)用潛力，但仍面臨穩(wěn)定性、層間距調(diào)控、溶脹、界面兼容性、成本，以及環(huán)境安全等方面的挑戰(zhàn)。未來研究需整合表面改性、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工藝優(yōu)化等策略，同時(shí)探索低成本制備技術(shù)，并加強(qiáng)環(huán)境安全評(píng)估，促進(jìn)MXene膜在更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞 膜分離；二維MXene膜；氣體分離；離子篩分；水體凈化；有機(jī)溶劑純化

膜分離技術(shù)自20世紀(jì)初誕生以來，至20世紀(jì)60年代進(jìn)入快速發(fā)展期，已成為現(xiàn)代分離技術(shù)的核心之一。聚合物基膜材料（如聚酰胺、聚砜等）憑借其可加工性和成本優(yōu)勢(shì)，在氣體分離、廢水處理和海水淡化等領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位 [ 1-2] 。然而，傳統(tǒng)聚合物膜存在“滲透性-選擇性權(quán)衡”難題（“trade-off”效應(yīng)），制約了其性能提升，亟需開發(fā)新型膜材料體系。二維膜材料通過原子級(jí)厚度（通常 < 10 nm）的層狀結(jié)構(gòu)和亞納米級(jí)孔道設(shè)計(jì)，可以顯著降低傳質(zhì)阻力，實(shí)現(xiàn)分子級(jí)篩分 [ 3-4] ，為突破傳統(tǒng)膜材料性能瓶頸提供了途徑。實(shí)際應(yīng)用中，常采用納米片堆疊策略構(gòu)建二維膜，其層間納米通道與片內(nèi)孔道協(xié)同作用，形成了多級(jí)篩分機(jī)制，有效提升了分離效率。

二維材料的發(fā)展為膜技術(shù)革新提供了豐富的材料庫(kù)。自2004年NOVOSELOV團(tuán)隊(duì)開創(chuàng)性制備了石墨烯二維晶體以來 [5] ，六方氮化硼（ h -BN） [6] 、過渡金屬硫族化合物（TMDs） [7] 等二維材料相繼出現(xiàn)，具有獨(dú)特的分離、凈化性能。近年來，MXene作為一類新型二維材料引起研究者關(guān)注。

2011年，美國(guó)雷德塞爾大學(xué)研究人員首次報(bào)道了二維Ti 3 C 2 T x 層狀納米材料，該材料由三維MAX相前驅(qū)體經(jīng)拓?fù)滢D(zhuǎn)換獲得（ 圖1 ），其獨(dú)特的二維片狀形貌與石墨烯層狀特征相似，因此被命名為MXene [8] 。MXene晶體結(jié)構(gòu)遵循通式M n +1 X n T x （ n = 1~3），其中M代表過渡金屬元素（Sc、Ti、Zr、Hf、V、Nb和Mo等），X代表C、N或CN原子層，T代表表面官能團(tuán)（—O、—F和—OH等） [9] 。依據(jù)原子層數(shù)量，MXene可分為M 2 X型單層結(jié)構(gòu)（如Ti 2 C）、M 3 X 2 型雙層結(jié)構(gòu)（如Ti 3 C 2 ）和M 4 X 3 型三層結(jié)構(gòu)（如Nb 4 C 3 ）。其層狀構(gòu)型表現(xiàn)為：每個(gè)MXene單層由上下過渡金屬原子層夾持單層X原子層，構(gòu)成三明治結(jié)構(gòu)。根據(jù)金屬元素組成，MXene可分為單金屬和雙金屬體系。根據(jù)金屬原子在M層的排列方式，雙金屬M(fèi)Xene進(jìn)一步分為固溶體型（金屬原子無(wú)序分布）和有序排列型（金屬原子呈周期性交替排列）。理論模擬研究表明，有序排列型雙金屬M(fèi)Xene相比固溶體型具有更優(yōu)的熱力學(xué)穩(wěn)定性 [10] 。

▲ 圖1 MAX體相結(jié)構(gòu)及其對(duì)應(yīng)的MXene結(jié)構(gòu)示意圖[8]

對(duì)比了當(dāng)前主流分離凈化膜材料的應(yīng)用領(lǐng)域及特性（ 表1 ），包括金屬有機(jī)骨架膜（MOFs膜）、碳納米管膜、氧化石墨烯膜、陶瓷膜、聚合物膜，以及MXene膜。MXene膜憑借其獨(dú)特的二維層狀結(jié)構(gòu)，優(yōu)異的分離選擇性與滲透通量，在分離與凈化領(lǐng)域展現(xiàn)出較大應(yīng)用潛力。

▼ 表1 分離凈化膜對(duì)比

MXene膜通常采用3種策略制備：將MXene作為骨架材料直接制備具有層狀結(jié)構(gòu)的二維膜；將不同的聚合物或納米材料與MXene結(jié)合制備復(fù)合膜；將MXene作為涂層材料修飾原始支撐層制膜 [11] 。采用上述方法制備的MXene膜中，相鄰納米片隨機(jī)堆疊，形成無(wú)序的層間納米通道，作為物質(zhì)傳輸路徑。這種層間堆疊結(jié)構(gòu)，既能夠憑借通道孔徑與大分子間的空間位阻效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)大分子化合物的高效截留；又可以借助表面官能團(tuán)降低小分子的傳輸能壘，進(jìn)而讓小分子快速通過，最終實(shí)現(xiàn)高效分子篩分 [9] 。MXene具有優(yōu)異的化學(xué)、機(jī)械、光學(xué)和分離性能，如高柔韌性、親水表面、高強(qiáng)度和良好導(dǎo)電性等。構(gòu)筑成膜后，相鄰MXene納米片之間存在較弱的靜電斥力和更強(qiáng)的范德華力，使得MXene膜在水溶液中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性顯著優(yōu)于其他二維材料膜，將MXene膜應(yīng)用于分離與凈化領(lǐng)域前景廣闊。一方面，MXene膜在穩(wěn)定性、機(jī)械性能、電學(xué)性質(zhì)等方面取得了顯著進(jìn)展。例如，通過優(yōu)化制備工藝、表面修飾和摻雜改性，可顯著提升膜的抗氧化性能和機(jī)械強(qiáng)度，使其在氣體分離、離子篩分、水體凈化和有機(jī)溶劑純化等領(lǐng)域展現(xiàn)卓越性能。另一方面，MXene膜仍存在諸多不足，包括材料易氧化、層間距調(diào)控技術(shù)尚處于實(shí)驗(yàn)室階段、復(fù)雜環(huán)境中易溶脹、界面兼容性問題突出、制備成本高，以及環(huán)境安全性評(píng)估體系不完善等，這嚴(yán)重制約了其大規(guī)模應(yīng)用。

本綜述內(nèi)容從MXene膜的物理化學(xué)特性出發(fā)，逐步延伸至其應(yīng)用現(xiàn)狀，并對(duì)其未來發(fā)展進(jìn)行展望（ 圖2 ）。通過這一過程，將系統(tǒng)梳理MXene膜在分離與凈化領(lǐng)域的應(yīng)用研究進(jìn)展，探討其面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，并為MXene膜在該領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)廣泛、高效的應(yīng)用拓展思路。

▲ 圖2 綜述內(nèi)容總覽

1MXene膜的物理化學(xué)特性

MXene作為一種新興的二維無(wú)機(jī)化合物，因其獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)和豐富的組成而備受研究者關(guān)注。其不僅具有出色的物理性質(zhì)，還展現(xiàn)出多樣的化學(xué)特性，是材料科學(xué)領(lǐng)域新的研究熱點(diǎn)。對(duì)MXene膜的物理化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了介紹，特別是后處理穩(wěn)定性、機(jī)械性能、電學(xué)性質(zhì)及其他特性。

1.1 后處理穩(wěn)定性

MXene膜在潮濕空氣中穩(wěn)定性不佳，歸因于其納米薄片易氧化團(tuán)聚、膠體溶液不穩(wěn)定，以及薄膜容易發(fā)生溶脹和降解等 [24] 。MASHTALIR等 [25] 發(fā)現(xiàn)在含溶解氧的水溶液中，Ti 3 C 2 T x 納米片會(huì)發(fā)生氧化，主要生成TiO及TiO 2 ，且光照會(huì)顯著加速該過程。可以采取優(yōu)化制備工藝、表面修飾、改善存儲(chǔ)條件和摻雜改性等多種策略，提高M(jìn)Xene膜穩(wěn)定性。優(yōu)化制備工藝方面，侯淑萍等 [26] 采用路易斯酸熔融鹽刻蝕法，顯著減小了MXene片層表面的缺陷密度，從而提高了其穩(wěn)定性。通過后處理方法也可以提高M(jìn)Xene膜穩(wěn)定性，如采用真空退火法去除表面吸附的水分，優(yōu)化其分離性能 [27] 。表面修飾法可以在MXene表面形成保護(hù)膜或化學(xué)鍵，阻止氧氣接觸，提高膜的抗氧化性能，如硅烷化處理 [28] 和聚多巴胺涂層 [29] 。將MXene膜儲(chǔ)存于低溫、干燥且隔絕氧氣的環(huán)境中，可有效減緩氧化，延長(zhǎng)其使用壽命 [28] 。可以通過摻雜改性改變MXene的表面性質(zhì)，提高其抗氧化性能。如ZHAO等 [30] 添加L-抗壞血酸鈉作為抗氧化劑，有效提高了MXene膠體溶液在大氣環(huán)境中的穩(wěn)定性。這些方法顯著提升了MXene膜的穩(wěn)定性，為其在更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用提供了支撐。需要注意，每種方法都有局限性和適用條件，實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)具體需求和條件選擇適當(dāng)方法來提高M(jìn)Xene膜的穩(wěn)定性。隨著對(duì)MXene膜穩(wěn)定性研究的深入，有望在復(fù)雜環(huán)境中使用MXene膜，拓展其應(yīng)用領(lǐng)域。

1.2 機(jī)械性能

MXene膜展現(xiàn)出優(yōu)異的機(jī)械性能，其楊氏模量可達(dá)(0.33 ± 0.03) TPa，高于相同厚度的其他材料二維膜。同時(shí)，MXene膜的臨界應(yīng)變值較大，這一特性有效防止了在受到拉伸應(yīng)力時(shí)，其表面金屬層出現(xiàn)塌陷現(xiàn)象，進(jìn)而增強(qiáng)了材料柔韌性和耐用性 [13] 。然而，MXene膜的機(jī)械性能受到多種因素制約，如孔隙、片層褶皺等，結(jié)構(gòu)上的缺陷會(huì)損害膜的連續(xù)性和一體性，從而削弱其機(jī)械性能 [26] 。LING等 [31] 將聚合物摻入MXene溶液中，制成厚度為5 μm的薄膜，該薄膜在卷成圓筒狀后，其頂部極限載荷量為自身質(zhì)量的4000倍。進(jìn)一步地，將Ti 3 C 2 T x 與10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）聚乙烯醇（PVA）復(fù)合，其載荷量達(dá)到自身質(zhì)量的15000倍。BORYSIUK等 [32] 通過分子動(dòng)力學(xué)模擬發(fā)現(xiàn)，二維碳化鈦（Ti n +1 C n ）中Ti 2 C的拉伸強(qiáng)度極限高于Ti 3 C 2 和Ti 4 C 3 。WANG等 [33] 將MXene與纖維素等材料復(fù)合，制備了Ti 3 C 2 T x MXene-半纖維素（MXene-hemi）復(fù)合薄膜材料，抗拉強(qiáng)度較復(fù)合前提升6.6倍，顯著增強(qiáng)了其在海水淡化、油水分離和工業(yè)廢水處理等領(lǐng)域應(yīng)用的性能。

1.3 電學(xué)性質(zhì)

理論計(jì)算表明，MXene呈現(xiàn)出獨(dú)特的類金屬-半導(dǎo)體混合電學(xué)特性，這與其化學(xué)組成及表面官能團(tuán)類型存在相關(guān)性。具體而言，當(dāng)MXene表面未引入終端基團(tuán)，其表現(xiàn)出典型的金屬導(dǎo)電特性；而經(jīng)過表面功能化處理的MXene（如Sc 2 CF 2 、Sc 2 C(OH) 2 、Sc 2 CO 2 、Ti 2 CO 2 和Zr 2 CO 2 ）膜，則展現(xiàn)出半導(dǎo)體特性 [34] 。部分含有重金屬（如Cr、Mo和W）的MXene膜被預(yù)測(cè)為拓?fù)浣^緣體 [35] 。

MXene膜的導(dǎo)電性能不僅與其化學(xué)組成相關(guān)，還受到制備方法的影響。采用HCl和LiF協(xié)同刻蝕及真空抽濾技術(shù)合成的Ti 3 C 2 T x 薄膜，電導(dǎo)率達(dá)到4600 S/cm [36] ；采用噴涂工藝制備的納米級(jí)厚度Ti 3 C 2 T X 薄膜，電導(dǎo)率達(dá)到6500 S/cm [37] ，較傳統(tǒng)溶液剝離法制備的二維材料（如石墨烯）具有顯著優(yōu)勢(shì)。MXene膜的導(dǎo)電性能還與其薄片質(zhì)量密切相關(guān)，溫和的刻蝕條件有助于獲得缺陷更少、單片面積更大的MXene薄片，從而進(jìn)一步組裝成具有更高導(dǎo)電性能的薄膜 [38] 。同時(shí)，通過優(yōu)化MXene納米片層的共面取向與接觸狀態(tài) [39] ，并保證徹底干燥以縮減層間距離 [31] ，可顯著提升材料的導(dǎo)電性。對(duì)MXene進(jìn)行合成后處理或與其他材料復(fù)合，能夠進(jìn)一步提升其導(dǎo)電性。例如，高溫處理后的Ti 3 C 2 電導(dǎo)率提升了近3倍 [33] ，將MXene與PVA [31] 、聚二甲基硅氧烷（PDMS） [40] 、聚吡咯 [41] 等聚合物復(fù)合，可同步增強(qiáng)其機(jī)械性能、熱力學(xué)穩(wěn)定性和電化學(xué)活性。ZHAO等 [42] 將MXene與碳納米管（CNT）、洋蔥碳（OLC）及還原氧化石墨烯（rGO）復(fù)合，組裝成無(wú)基底復(fù)合薄膜，獲得了良好的導(dǎo)電性及機(jī)械性能。優(yōu)選的MXene膜憑借其獨(dú)特的電學(xué)性能，在電子器件、能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換、電磁干擾屏蔽、納濾膜與分離技術(shù)，以及光學(xué)涂層與光電等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊應(yīng)用前景。

1.4 其他特性

MXene膜展現(xiàn)出多方面的優(yōu)異性能，應(yīng)用前景廣闊。在光學(xué)領(lǐng)域，其在可見光至近紅外波段呈現(xiàn)表面等離子體共振現(xiàn)象，透射和反射時(shí)顏色不同。例如，Ti 3 C 2 T x 透射呈翠綠色、反射顯紫色，特征吸收峰位于1.6 eV處 [43] ，其光電性能可通過化學(xué)修飾和陽(yáng)離子插層實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控 [38] 。DILLON等 [39] 制備的Ti 3 C 2 T x 膜可見光透過率超過97%，光照下還能局部加熱增強(qiáng)機(jī)械性能和穩(wěn)定性 [44] ，在透明導(dǎo)電涂層和光電領(lǐng)域中應(yīng)用潛力巨大。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，MXene抑菌效果顯著，Ti 3 C 2 T x 對(duì)大腸桿菌和枯草桿菌抑菌效果明顯，在200 μg/mL Ti 3 C 2 T x 溶液中暴露4 h，超98%細(xì)菌被抑制 [45] 。這源于其鋒利邊緣和豐富表面末端結(jié)構(gòu)破壞細(xì)菌膜，及產(chǎn)生活性氧（ROS）化學(xué)滅活細(xì)菌，在傷口敷料、水凈化膜等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。在電磁屏蔽領(lǐng)域，MXene膜能吸收和反射電磁波，其獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了電磁波衰減效果，與其他材料復(fù)合可進(jìn)一步提升性能，結(jié)合其優(yōu)異機(jī)械性能（柔韌性和高楊氏模量等），可制備超薄電磁屏蔽材料，適用于電子設(shè)備、通信和航空航天等領(lǐng)域。

作為新興的二維無(wú)機(jī)化合物，MXene憑借其獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)、豐富的組成，以及良好的物理化學(xué)特性，在材料科學(xué)中展現(xiàn)出巨大的研究?jī)r(jià)值和應(yīng)用潛力。MXene膜良好的穩(wěn)定性、機(jī)械性能、電學(xué)性質(zhì)及其他特性，為其在電子器件、能源存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換、電磁干擾屏蔽、納濾膜與分離技術(shù)、光學(xué)涂層與光電、生物醫(yī)學(xué)，以及航空航天等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了重要支撐。MXene膜憑借其獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)和表面特性，在氣體分離與捕集、離子篩分、水處理和溶劑純化等領(lǐng)域展現(xiàn)出應(yīng)用潛力，本文綜述了相關(guān)應(yīng)用研究進(jìn)展，旨在為MXene膜的研究與應(yīng)用拓展新的思路。

2MXene膜在分離與凈化領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 氣體分離與捕集

基于二維材料構(gòu)筑的膜，因具有數(shù)量充足且尺寸均勻的納米通道，有望突破氣體分離中滲透性與選擇性權(quán)衡的限制，成為高效氣體分離膜的理想選擇。DING等 [46] 采用共蝕刻后剝落的方法得到單層MXene納米片，并以此作為基本單元構(gòu)建了片間距約0.35 nm、有序堆疊二維材料膜（ 圖3 ）。結(jié)果表明，制備的膜在氣體分離中展現(xiàn)出較好性能，H 2 滲透率超過2200 Barrer，H 2 與CO 2 選擇性分離系數(shù)超過160。這一優(yōu)異的分離性能主要?dú)w因于MXene膜內(nèi)規(guī)則有序的亞納米通道結(jié)構(gòu)。然而，二維材料膜在隨機(jī)堆疊時(shí)，相鄰納米片間易形成無(wú)序的層間納米通道或缺陷孔隙，影響氣體分離效率。

▲ 圖3 膜中相鄰MXene納米片間距示意圖[46]

除將MXene納米片直接堆疊成膜外，LIU等 [47] 還將MXene納米片摻入聚醚嵌段聚酰胺（Pebax）聚合物基體中，制備了混合基質(zhì)膜（MMM）（ 圖4 ）。該混合基質(zhì)膜展現(xiàn)出較好氣體分離性能，當(dāng)MXene負(fù)載量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）增大至0.15%，CO 2 的滲透率和選擇性分別提高了81%和73%。MXene納米片以其超薄厚度和微米級(jí)橫向尺寸，為薄膜提供了豐富傳質(zhì)通道，有效促進(jìn)了氣體傳輸。結(jié)果表明，該混合基質(zhì)膜的CO 2 透過率和CO 2 /N 2 選擇性均得到提高，其中CO 2 滲透率可達(dá)21.6 GPU，CO 2 /N 2 選擇性可達(dá)72.5，相比其他Pebax-MMMs，MXene/Pebax-MMMs表現(xiàn)出更佳的分離性能，有望作為CO 2 捕集的優(yōu)異分離膜材料。

▲ 圖4 Pebax基體與MXene納米片混合基質(zhì)膜示意圖[47]

通過調(diào)整中空纖維膜內(nèi)部二維納米片的堆積效率，調(diào)控膜內(nèi)層間距，可以選擇性分離氣體分子。QU等 [48] 采用熱交聯(lián)法制備了自交聯(lián)MXene/氧化釔穩(wěn)定氧化鋯（SM/YSZ）中空纖維膜，120 h內(nèi)該膜H 2 滲透率為70.6 GPU，H 2 /CO 2 選擇性為30.3，展現(xiàn)出優(yōu)異的H 2 /CO 2 分離性能。自交聯(lián)MXene中空纖維膜用于H 2 /CO 2 分離示意圖見 圖5 。當(dāng)膜厚度調(diào)控為220 nm，H 2 滲透率保持在70.6 GPU，H 2 /CO 2 選擇性提高至30.3。相比其他MOF膜、混合基質(zhì)膜和聚合物膜，MXene中空纖維膜展現(xiàn)出更加出色的氣體分離性能。

▲ 圖5 自交聯(lián)MXene中空纖維膜用于H2/CO2分離示意圖[48]

MXene膜具有耐高溫穩(wěn)定性，可用于分離高溫工業(yè)氣體混合物。FAN等 [49] 首次報(bào)道了一種能夠在高溫條件下長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行的MXene膜（ 圖6 ）。在320 ℃的高溫環(huán)境下，該膜H 2 滲透性能達(dá)2.0 × 10 -7 mol/(m 2 ·s·Pa)，H 2 /N 2 混合物選擇性能達(dá)41。在200 h以上的連續(xù)測(cè)試中，H 2 滲透率和H 2 /N 2 混合物選擇性均保持穩(wěn)定。該結(jié)果表明，MXene膜有望作為高溫氣體分離的一種優(yōu)秀膜材料。然而，繼續(xù)升高溫度，膜對(duì)H 2 /N 2 的選擇性開始降低。開發(fā)高溫下具有較好穩(wěn)定層疊結(jié)構(gòu)的MXene膜，是實(shí)現(xiàn)高溫下高選擇性的關(guān)鍵。

DMSO為二甲基亞砜；AAO為陽(yáng)極氧化鋁。

▲ 圖6 MXene/AAO復(fù)合膜制備路線(a)和二維材料膜在AAO模板上用于H2/N2分離示意圖(b)[49]

經(jīng)表面改性和結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，MXene膜氣體分離與捕集性能顯著提升。然而，MXene膜在氣體分離與捕集方面的研究尚處于初級(jí)階段，需進(jìn)一步探索材料結(jié)構(gòu)、制備工藝與MXene膜性能間的構(gòu)效關(guān)系，發(fā)掘其潛力以擴(kuò)大應(yīng)用范圍 [50] 。材料穩(wěn)定性不足，需通過表面鈍化或復(fù)合保護(hù)體系提升抗氧化性及耐環(huán)境侵蝕性能。復(fù)合材料協(xié)同機(jī)制不明，MXene與多孔材料/聚合物的界面作用，以及氣體傳輸調(diào)控規(guī)律尚待解析。層狀MXene納米晶體的重堆疊趨勢(shì)限制了其在吸附領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，需要開發(fā)具有高度有序納米通道結(jié)構(gòu)的層狀膜，以實(shí)現(xiàn)高效的氣體分離。

2.2 離子篩分

2015年，研究者首次探索了MXene膜的離子篩分性能，分離溶液中離子，為其開辟了新的應(yīng)用途徑。REN等 [51] 采用真空輔助抽濾法，制備了納米通道直徑為6.4 ?（1 ? = 0.1 nm）的MXene膜，該膜展示出選擇性滲透單價(jià)和多價(jià)金屬離子的性能，滲透速率由大到小依次為Na + 、Li + 、K + 、Ca 2+ 、Ni 2+ 、Mg 2+ 和Al 3+ 。由于水分子傾向插層于相鄰MXene納米片之間，導(dǎo)致明顯溶脹效應(yīng)，因此膜對(duì)離子的截留性能并不理想。針對(duì)該問題，DING等 [52] 通過精確控制濃度擴(kuò)散，將Al 3+ 引入MXene片層間形成Al—O鍵，通過增強(qiáng)片層間相互作用抑制溶脹，提高了膜在水中的離子截留性能，為MXene膜在離子篩分中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

MXene膜在離子篩分中的應(yīng)用已取得一定突破（ 圖7 ） [ 53-54] 。如MENG等 [53] 提出了一種新型的表面帶電的MXene（SC-MXene）海水淡化膜。在MXene膜表面涂覆聚電解質(zhì)使其帶電，不僅顯著增強(qiáng)了膜的親水性，而且有效調(diào)控了其表面電荷（ 圖7 (a)）。通過結(jié)合靜電相互作用與尺寸篩分的雙重機(jī)制，SC-MXene膜在納濾和正滲透過程中均展現(xiàn)出了優(yōu)異的金屬離子去除效率和水滲透性能，在海水淡化領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

▲ 圖7 SC-MXene膜在海水淡化中的應(yīng)用機(jī)理(a)[53]、MXene/PVDF膜的反應(yīng)和離子傳輸機(jī)理(b)和MXene/PVDF膜組裝及其離子篩分機(jī)理（(c)~(e)）[54]

熱交聯(lián)改性則為MXene膜在重金屬離子分離中的應(yīng)用提供了更高效的解決方案。SUN等 [55] 以管狀 α -Al 2 O 3 作為多孔載體，通過改變熱處理溫度有效調(diào)節(jié)了MXene膜相鄰納米片間的距離。經(jīng)過熱處理的MXene膜不僅具有良好的耐溶脹性能，而且能夠精確調(diào)控離子篩分過程，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定離子的高截留率和優(yōu)異耐溶脹性能，為高效離子篩分和脫鹽提供了新途徑。

在廢水處理領(lǐng)域，MXene膜的功能化改性進(jìn)一步提升了其實(shí)用性。FAN等 [54] 通過施加外部電壓，有效地調(diào)控抗溶脹MXene膜對(duì)重金屬離子Pb 2+ 的截留性能（ 圖7 (b)~ 圖7 (e)）。YANG等 [56] 采用Fe 3 O 4 納米顆粒（NPs）和二維MXene納米片，通過真空過濾法制備了Fe 3 O 4 @MXene/CA復(fù)合納濾膜（ 圖8 ）。Fe 3 O 4 NPs的引入不僅增大了MXene膜的純水通量，還實(shí)現(xiàn)了對(duì)重金屬離子的高效去除。溶液中重金屬離子Cu 2+ 、Cd 2+ 和Cr 6+ 的去除率分別達(dá)到約63.2%、64.1%和70.2%。MXene膜在離子篩分中展現(xiàn)了巨大應(yīng)用潛力。

PEG為聚乙二醇；EG為乙二醇。

▲ 圖8 Fe3O4@MXene/CA復(fù)合納濾膜制備示意圖[56]

MXene膜作為新型二維材料在離子篩分領(lǐng)域具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，但在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨多重挑戰(zhàn)。材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面，MXene膜在潮濕環(huán)境中易氧化降解，且層間間距尚未實(shí)現(xiàn)精確控制，原子級(jí)缺陷顯著影響分離選擇性 [57] 。理論模型構(gòu)建方面，對(duì)于離子傳輸機(jī)制的關(guān)鍵參數(shù)，現(xiàn)有研究缺乏系統(tǒng)量化分析，減弱了對(duì)材料設(shè)計(jì)的理論指導(dǎo)；工程化應(yīng)用方面，在反滲透、電滲析等主流膜分離工藝中，MXene膜缺乏成熟應(yīng)用案例 [58] ，且其產(chǎn)業(yè)化面臨能耗高、強(qiáng)蝕刻劑污染，以及原料成本高等問題。未來，需在基礎(chǔ)理論創(chuàng)新、制備工藝優(yōu)化以及工程應(yīng)用驗(yàn)證等方面開展系統(tǒng)研究，推動(dòng)MXene膜從實(shí)驗(yàn)室研究向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用轉(zhuǎn)化。

2.3 水體凈化

通過尺寸排除、電荷效應(yīng)和納米限制效應(yīng)等機(jī)制，MXene膜可以有效去除水中細(xì)菌、抗生素、油污以及染料等有害物質(zhì) [59] 。去除細(xì)菌方面，PANDEY等 [60] 制備了負(fù)載銀納米顆粒的Ag@MXene膜，發(fā)現(xiàn)該膜表現(xiàn)出較高的有機(jī)分子截留效率和出色的通量恢復(fù)能力，對(duì)革蘭氏陰性細(xì)菌具有高達(dá)99%的去除率。抗生素在環(huán)境中的累積是一項(xiàng)全球性問題。為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，SUN等 [61] 制備了層間距為1.36 nm的無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化MXene膜，發(fā)現(xiàn)因該膜較大的橫向尺寸、規(guī)則的層間距，以及膜與抗生素之間的靜電相互作用，將其用于凈化水中含抗生素時(shí)，該膜的滲透性比其他二維納濾膜提高了100倍。LI等 [62] 利用橫向尺寸2~4 μm的大尺寸MXene納米片構(gòu)建膜，實(shí)現(xiàn)了水溶性和醇溶性兩類共7種典型抗生素在水和乙醇溶液中的高效分離。MXene膜可用于含油廢水凈化，IMSONG等 [63] 設(shè)計(jì)了CuO@MXene-PAN納米纖維膜，憑借獨(dú)特的納米結(jié)構(gòu)，以及超潤(rùn)濕、光熱響應(yīng)等綜合性能，在處理復(fù)雜含油廢水中應(yīng)用潛力顯著。MXene與其他納米材料（如ZIF-8）復(fù)合，可提升其吸附性能和穩(wěn)定性，MXene/ZIF-8復(fù)合材料去除水中有機(jī)污染物性能優(yōu)異 [64] 。染料去除方面，DING等 [65] 首次報(bào)道了將MXene膜應(yīng)用于水凈化過程以去除染料納米顆粒物，通過在MXene納米片層間插入Fe(OH) 3 膠體顆粒擴(kuò)展納米通道，顯著提高了MXene膜的水通量，并保持了其對(duì)不同染料納米粒子的高效截留性能。

MXene膜用于水凈化處理領(lǐng)域，多采用Ti 3 C 2 T x 型MXene，其他潛在的具有多樣特性的MXene膜尚未被充分開發(fā)，限制了材料性能的優(yōu)化空間 [66] 。多孔化MXene納米片的制備仍是技術(shù)難點(diǎn)，需精準(zhǔn)調(diào)控孔隙率與孔徑分布。工業(yè)化應(yīng)用方面，實(shí)現(xiàn)MXene膜的連續(xù)化生產(chǎn)，并保持大面積膜的均勻性和機(jī)械穩(wěn)定性，是當(dāng)前面臨的主要挑戰(zhàn) [67] 。應(yīng)用方面，MXene膜在復(fù)雜水體環(huán)境中的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，以及與現(xiàn)有膜組件的適配性也有待提升 [68] 。總體而言，MXene膜在水凈化處理領(lǐng)域具有應(yīng)用潛力，但存在合成、制備及規(guī)模化等方面的挑戰(zhàn)，并需關(guān)注其應(yīng)用擴(kuò)展與穩(wěn)定性。

2.4 有機(jī)溶劑純化

有機(jī)溶劑納濾（OSN）是一項(xiàng)新興膜技術(shù)，具有保留或去除有機(jī)溶劑中納米分子的能力。OSN也是一種低能耗的可持續(xù)分離膜技術(shù)。OSN可以抵抗重污染水體，也可以用于酸堿中。MXene復(fù)合膜對(duì)甲苯、異丙醇、庚烷和乙酸乙酯等溶劑的親和范圍不同，對(duì)—COOR、—NH 2 、—C 12 H 26 和—C 6 H 6 等官能團(tuán)的滲透通量也不同。研究表明，與極性溶劑（乙酸乙酯和異丙醇）相比，非極性溶劑（甲苯和正庚烷）的滲透通量更高 [69] 。WU等 [40] 將MXene與親水性聚乙烯亞胺（PEI）和疏水性聚二甲硅氧烷兩種傳統(tǒng)聚合物基質(zhì)結(jié)合，有效拓展了其在有機(jī)溶劑納濾中的應(yīng)用。PEI基膜和PDMS基膜的異丙醇通量分別提高了30%和162%，解決了MXene納米片對(duì)非極性或弱極性溶劑親和力較差的問題。LI等 [70] 利用共組裝技術(shù)制備了有機(jī)多巴微膠囊雜化膜，發(fā)現(xiàn)該膜的甲醇通量達(dá)723 L/(m 2 ·h·bar)（1 bar = 0.1 MPa），對(duì)活性黑截留率超過90%。SHEN等 [71] 基于富里酸鉀分散的MXene混合基質(zhì)膜，顯著提升了乙醇滲透性，同時(shí)保持了較高溶質(zhì)排斥率。LIU等 [72] 通過聚電解質(zhì)聚二烯丙基二甲基氯化銨（PDDA）與MXene納米片間的靜電引力，縮小了層間距，制備了PDDA功能化MXene膜（ 圖9 ），在50 ℃下對(duì)90%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）異丙醇/水總通量可達(dá)1237 g/(m 2 ·h)，分離因子可達(dá)932。可見，MXene膜在有機(jī)溶劑純化領(lǐng)域具有較大應(yīng)用潛力。

PAH為聚烯丙基胺鹽酸鹽。

▲ 圖9 MXene-PDDA復(fù)合膜在異丙醇脫水中的應(yīng)用及其通過聚電解質(zhì)功能化的示意圖[72]

如同在其他領(lǐng)域，MXene膜在有機(jī)溶劑純化中的應(yīng)用也面臨諸多挑戰(zhàn)。具體而言，其層間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需進(jìn)一步優(yōu)化，同時(shí)還存在抗氧化穩(wěn)定性欠佳，生產(chǎn)成本居高不下，理論設(shè)計(jì)支撐不足，規(guī)模化生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)困難等問題。值得關(guān)注的是，傳統(tǒng)MXene膜合成過程使用的蝕刻劑氟化物，易對(duì)環(huán)境造成污染，這制約了MXene膜的可持續(xù)發(fā)展 [73] 。

3結(jié)語(yǔ)與展望

MXene膜憑借其超薄特性和優(yōu)異的分子篩分性能，突破了傳統(tǒng)膜分離技術(shù)中滲透性與選擇性相互制約的局限，展現(xiàn)出作為分離材料的潛力。MXene膜具有獨(dú)特物理化學(xué)性質(zhì)，包括規(guī)則的亞納米通道、弱穩(wěn)定性、良好的機(jī)械性能、獨(dú)特的光電學(xué)性質(zhì)、優(yōu)異的抑菌性和磁性等，根據(jù)分離場(chǎng)景可以定向組裝適配的功能性基團(tuán)，為其在多個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用提供了支撐。氣體分離方面，MXene膜內(nèi)部規(guī)則有序的亞納米通道結(jié)構(gòu)，使其在分離H 2 /CO 2 、H 2 /N 2 和CO 2 /N 2 等氣體中表現(xiàn)出色，可應(yīng)用于高溫工業(yè)重整H 2 的分離，還在CO 2 捕集中展現(xiàn)較好性能。離子篩分方面，通過優(yōu)化制備方案、調(diào)控納米層間距和調(diào)整表面電荷等，實(shí)現(xiàn)了對(duì)特定離子的高效截留和選擇性透過。水處理方面，通過復(fù)合催化劑與膜材料、無(wú)機(jī)-有機(jī)雜化、插層膠體顆粒等手段，對(duì)MXene膜進(jìn)行組裝與優(yōu)化，進(jìn)一步拓展了其在藥物分離純化、含油污水處理、有機(jī)污水處理和醫(yī)療廢水處理等高附加值領(lǐng)域中的應(yīng)用。溶劑純化方面，通過與親水性和疏水性聚合物基質(zhì)結(jié)合，顯著提高了有機(jī)溶劑的通量和溶質(zhì)的截留率。MXene膜在實(shí)際應(yīng)用中還面臨若干問題：材料易氧化導(dǎo)致穩(wěn)定性不足，層間距調(diào)控技術(shù)尚處實(shí)驗(yàn)室階段，復(fù)雜環(huán)境（尤其是水相體系）中易發(fā)生溶脹現(xiàn)象，復(fù)合材料界面兼容性問題突出。此外，高制備成本制約了其產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，環(huán)境安全性評(píng)估體系也有待完善。

針對(duì)上述問題，未來研究應(yīng)重點(diǎn)聚焦：（1）通過表面改性提升抗氧化性，如開發(fā)表面鈍化與封裝協(xié)同改性技術(shù)，構(gòu)建抗氧化-機(jī)械穩(wěn)定性協(xié)同提升體系；（2）開發(fā)層間距精準(zhǔn)調(diào)控技術(shù)，如建立跨尺度（原子級(jí)至微米級(jí)）層間距動(dòng)態(tài)調(diào)控策略，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)優(yōu)化氣體/分子篩分選擇性；（3）構(gòu)建抗溶脹結(jié)構(gòu)，如設(shè)計(jì)仿生限域通道結(jié)構(gòu)或引入剛性支撐骨架，抑制水分子滲透引起的層間膨脹；（4）優(yōu)化復(fù)合材料的界面結(jié)合工藝，開發(fā)界面化學(xué)鍵合與梯度復(fù)合工藝，解決異質(zhì)材料相容性難題；（5）開發(fā)低成本規(guī)模化制備技術(shù)，如探索綠色還原劑與連續(xù)化沉積技術(shù)，推動(dòng)生產(chǎn)成本顯著降低；（6）建立完整的環(huán)境安全評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，建立全生命周期環(huán)境行為數(shù)據(jù)庫(kù)，制定標(biāo)準(zhǔn)化生態(tài)安全評(píng)估協(xié)議。通過制備工藝優(yōu)化和多維度技術(shù)耦合創(chuàng)新，MXene膜有望實(shí)現(xiàn)性能突破，在分離領(lǐng)域得到高效、廣泛地應(yīng)用。

DOI：10.12434/j.issn.2097-2547.20250109

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