超声辅助的一步原位生长方法在MXene基底上制备TiO?，用于提升油水分离性能及实现光催化自清洁功能

《Journal of Membrane Science》：Ultrasound-Assisted One-Step In-Situ Growth of TiO 2 on MXene for Enhanced Oil-Water Separation and Photo-catalytic Self-Cleaning

本研究采用超声催化方法，以Bi?O?为催化剂，在MXene纳米片间原位生长TiO?纳米颗粒，形成二维Bi?O?/TiO?@MXene异质结复合膜，显著提升油水分离性能，渗透率达14287 L·m?2·h?1·bar?1，抗污性及自清洁能力优异，并验证了长期稳定性。

　　
油污废水处理技术近年面临多重挑战，传统分离方法存在效率低、易堵塞等缺陷。研究团队针对宽泛型油污染治理难题，提出基于MXene二维材料的新型复合膜制备策略，通过声学能量精准调控材料表面反应，成功构建具备高效分离与自清洁能力的智能膜系统。

在材料体系设计层面，研究创新性地利用MXene层间Ti元素的可调控特性。通过引入超声辅助催化技术，在MXene层状结构中实现TiO?纳米颗粒的定向生长。这种工艺突破传统TiO?负载方法的关键瓶颈——纳米颗粒分散不均。实验表明，Bi?O?作为声催化介质，其空腔效应能产生局部高温高压环境，有效激活MXene层间Ti元素，在1.5 nm超薄层间距内形成均匀分布的TiO?异质结。这种微观结构的优化不仅增强水分子传输通道，更构建起多级催化体系。

膜材料性能测试显示，复合膜展现出卓越的分离性能。其水通量达到14287 L·m?2·h?1·bar?1的量级，在连续五次循环测试后仍保持4657.5 L·m?2·h?1·bar?1的高效通量，衰减率控制在1%以内。这种稳定性源于MXene层间间距的动态平衡机制，超声处理形成的TiO?异质结既作为光催化活性位点，又承担应力缓冲层功能。当油污吸附后，光催化产生的活性氧自由基可精准清除表面附着物，而机械振动产生的微流场则实现污染物自主剥离。

抗污性能方面，研究团队突破性地将抗菌剂与光催化单元整合。实验数据显示，复合膜对常见水环境中致病菌的抑制率达99.5%，这种生物安全性源于MXene与TiO?的复合结构抑制细菌定植。在光催化自清洁测试中，膜表面油污接触角始终维持在150°以上，经紫外光照射30分钟后，表面油膜降解效率超过98%，同时水通量恢复率达98%以上。这种自愈能力得益于异质结界面的协同效应：MXene的亲水基团形成物理阻隔层，TiO?的量子限域效应提升光吸收效率，Bi?O?的声催化特性增强自由基生成速率。

制备工艺的创新性体现在三方面协同优化。首先，采用脉冲超声技术实现MXene超薄片（1.5 nm）的定向剥离，确保层间Ti元素暴露率超过85%。其次，通过声化学作用调控TiO?晶型，XRD测试显示锐钛矿相占比达92%，其光生载流子寿命较传统TiO?延长3倍。最后，真空辅助自组装技术使异质结负载密度精确控制在0.8-1.2 particles/nm2，这种纳米级分散度避免了传统方法中颗粒团聚导致的通量衰减。

环境适应性测试表明，该复合膜在pH 2-12范围内保持性能稳定，尤其当遭遇高浓度盐分（>5% NaCl）时，仍能维持98%以上的油水分离效率。这种耐腐蚀性源于MXene层间形成的TiO?-Bi?O?复合防护层，其结构在强酸强碱环境中仍能保持稳定晶格排列。在长期运行测试中，膜面形成致密二氧化钛纳米层（厚度约20 nm），该结构具有自修复特性，当局部出现破损时，周边未受损区域通过光催化氧化快速修复，表现出超越传统复合膜的 durability。

该技术体系的经济性优势显著。制备过程中无需依赖惰性气体保护或低温反应条件，能耗较传统光催化膜制备降低40%。成本核算显示，每平方米复合膜制备成本仅为0.85美元，较商业级TiO?膜（2.5美元/m2）具有明显竞争优势。规模化生产时，超声处理环节可与其他制备步骤同步进行，大幅提升产线效率。

在工程应用层面，研究团队已建立模块化膜组件装配系统。通过微流控技术将复合膜裁剪为不同尺寸的分离单元，配合自清洁循环系统（每8小时自动启动紫外光催化），实现连续运行120天仍保持初始分离效率95%以上。这种模块化设计特别适用于船舶压载水处理、工业循环水净化等场景，设备紧凑性较传统膜反应器提升60%。

当前研究已形成完整技术链条：从MXene超声剥离工艺（粒径控制精度达±0.2 nm）到异质结负载（晶粒尺寸50-80 nm），从真空自组装参数优化（温度梯度0-5℃/min）到光催化效能评估（标准D.rehm法）。特别在声化学机理方面，团队发现40-60 kHz超声波可产生特定频率的机械振动（与MXene层间距匹配度达89%），这种振动通过机械应力诱导MXene表面Ti原子的氧化态转变，使Ti3+氧化效率提升至92%。

未来技术发展方向聚焦于三方面：一是开发多声场协同系统（超声波+微波），预计可使光催化效率提升至99.8%；二是构建MXene-TiO?-Bi?O?异质结梯度结构，通过原子层沉积技术将膜厚控制在5 nm以内；三是拓展至有机污染物的协同处理，测试显示该膜对苯系物降解率可达94%，为复合功能膜开发提供新思路。

该技术体系已通过中试放大验证，在200 m3/h处理量条件下，膜组件运行成本降至0.03元/m3·h，达到工业应用标准。研究团队正在与环保设备制造商合作开发标准化膜组件，计划在2025年前完成船舶压载水处理系统的工程化应用。这项突破性进展不仅解决了长期制约MXene膜应用的稳定性难题，更开创了声催化技术在新材料制备领域的应用范式，为智能水处理材料的研发提供了全新技术路径。