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研究背景

MXenes是一種新的2D過渡金屬碳化物，也屬于氮化物和碳氮化物家族，于2011年由Drexel大學的研究人員中發現。近期大量研究表明MXene可以作用于水凈化，包括電容性去離子，膜和吸附。這篇綜述著重介紹了與MXenes和MXene基復合材料在海水淡化中的合成和應用以及未來挑戰。

Potential of MXenes in Water Desalination: Current Status and Perspectives

Ihsanullah Ihsanullah

Nano-Micro Lett.(2020)12:72

https://doi.org/10.1007/s40820-020-0411-9

本文本文亮點亮點

1 綜述了MXene和基于MXene的納米材料在海水淡化中的應用。

2 總結了用于海水淡化的MXene合成的最新進展。闡述了MXenes的除鹽機理和循環能力。

3 總結了MXene材料在海水淡化中的挑戰和未來前景。

內容簡介

MXenes是新型2D過渡金屬碳化物，具有高表面積，高金屬導電性，易功能化和親水性等特點，使它們成為儲能應用的最佳材料。最近在水處理和淡化中，MXenes也表現出了優秀的應用潛力。沙特阿拉伯法赫德國王石油與礦產大學的Ihsanullah Ihsanullah在這篇綜述中總結了用于海水淡化的MXenes和MXene基復合材料合成的最新進展。

圖文導讀

I MXenes作為離子篩膜

MXene納米片可用于獨立式或支撐膜中分子和離子的尺寸截留和電荷選擇性截留。原理是由于MXene的層間間距受到限制，因此可以消除水中的較小離子。通過MXene(如Ti₃C₂T_x)基膜的水通量很高，并且基于離子的電荷和水合半徑，膜對各種離子均顯示出極好的分離潛能。有研究通過真空輔助過濾(VAF)方法制備了Ti₃C₂T_x膜，并報道了選擇性篩分陽離子的方法。膜的厚度在水透過膜中起關鍵作用。通過MXene膜的通量隨厚度的增加而下降，直到在較高的厚度下達到穩態值為止。離子滲透率取決于陽離子的大小和電荷。MXene膜比氧化石墨烯對不同尺寸的帶電金屬陽離子和染料陽離子具有更好的選擇性。

圖1. Ti₃C₂T_x膜的合成。

II MXenes的電容去離子(CDI)

CDI是一種節能的電化學過程，其中陰離子和陽離子基于它們的電荷進行分離，并分別沉積在帶正電的陽極和帶負電的陰極上。電極材料的選擇在CDI工藝中至關重要，理想的電極必須具有較高的表面積，良好的導電性和較高的穩定性。由于其優異的電容特性，MXenes已成為用于CDI應用的新型電極材料。基于MXene的CDI電極同時具有出色的陽離子和陰離子吸附能力，這是由于它們具有高的電導率，親水性和可調節的表面。Srimuk等人通過將Ti₃C₂澆鑄到CDI電池的多孔隔板上，首次引入了基于MXene的CDI電極。MXene CDI電極在30個循環中表現出出色的性能，其鹽吸附能力為13±2 mg/g(在5 mM NaCl鹽水溶液中為1.2 V電池電壓)。離子在電極上的吸附是通過離子插入而不是雙層形成而發生的，如圖3所示。

圖3. 在電極材料表面通過非法拉第(靜電)離子電吸附進行電化學水脫鹽的概念。

III MXenes應用于海水淡化

MXene具有出色的光熱轉換效率，使其成為太陽能脫鹽應用的理想選擇。MXenes的光熱水蒸發能力是這些2D材料的又一個節能特性。趙等人報道了疏水性MXene膜的合成和太陽能脫鹽的潛力。如圖4所示，通過HCl/LiF蝕刻從MAX相中獲得分層的Ti₃C₂(d-Ti₃C₂)，然后進行真空脫氧和超聲處理。疏水膜是通過對d-Ti₃C₂進行三甲氧基表面改性而獲得的。改性后獲得的疏水MXene膜用于太陽能蒸發設備，該設備自浮在海水上。該膜實現71％的太陽蒸汽轉化效率，1.31 kg·m²/h的太陽蒸發速率，以及在高鹽度條件下200 h內的穩定性。四種主要離子(Ca²⁺，Mg²⁺，Mg²⁺和Na⁺)的排斥率超過99.5％，而對于有機染料和重金屬，則達到了近100％的排斥率，如圖5所示。由于長期使用后鹽分阻滯性差，因此不適合長期太陽能脫鹽應用。

圖4. 疏水性d-Ti₃C₂T_x膜的制造過程示意圖以及太陽能淡化裝置。

圖5. (a)太陽能脫鹽前后四個初級離子的鹽度。(b)有機和重金屬離子排斥性能。

IV 全蒸發淡化

全蒸發脫鹽是水擴散通過膜，然后蒸發成膜另一面的氣相的組合。MXene/PAN復合材料和獨立式MXene膜是通過將MXene懸浮液真空過濾而制得的，如圖6所示。將一定量的MXene納米片沉積在PAN基材上以制備MXene/PAN復合材料，同時通過類似的方法使用聚碳酸酯(PC)制備獨立的MXene膜，然后在干燥后的基材上剝離出MXene。隨著MXene納米片的數量增加，MXene層的厚度也會增加，并且其顏色從淺綠色變為深綠色。這些膜具有全蒸發脫鹽的巨大潛力，可以在95％的溫度下排去99.5％的鹽，并顯示出85.4 L/(m²·h)的水通量。與文獻中報道的其他膜相比，MXene膜還顯示出了對海水的出色脫鹽性能。全蒸發淡化的缺點之一是能源的大量使用，然而，隨著可再生能源或廢物源能源的利用，能源效率有望得到顯著提高。

圖6.用于全蒸發淡化的MXene膜。

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