综述：二维MXene膜在新兴纳滤应用中的最新进展：综述

《Nano Trends》：Recent Advances in Two-Dimensional MXene Membranes for Emerging Nanofiltration Applications: A Review

MXene基纳米过滤膜因高比表面积、可调层间距和亲水性，在去除染料、抗生素、重金属及新兴污染物中表现出高效性，并通过光催化自清洁机制减少膜污染，但存在氧化和肿胀挑战。

　　
MXene基纳米过滤膜在水处理中的应用研究进展

摘要
MXene作为二维过渡金属碳/氮化物材料，凭借其独特的物理化学性质，在纳米过滤膜领域展现出广阔的应用前景。本文系统综述了MXene基膜的材料特性、制备方法及其在新兴污染物去除中的应用效果，重点分析了MXene复合膜的结构调控机制与性能优化策略，并探讨了当前面临的挑战与未来发展方向。

1. MXene基膜的材料特性与制备优势
MXene是由过渡金属M（如Ti、V、Mo等）、碳/氮元素X（C、N）和金属有机层间化合物T组成的二维材料，其典型结构为Ti3C2Tx。这种层状晶体结构（厚度0.5-2 nm）赋予其可调的层间距（1.8-2.4 nm）和高达263 m2/g的比表面积，使其成为理想的纳米过滤介质。制备方法主要包括：
1.1 自上而下法：通过氢氟酸（HF）或混合电解液（HCl/KF）刻蚀MAX相材料，该工艺可实现高纯度MXene的规模化生产，但存在环境风险和结构损伤问题
1.2 自下而上法：采用化学气相沉积（CVD）、模板法等温和工艺制备，产物结构完整且无毒性残留。例如，通过CVD法在铜箔基底上沉积Mo2C，利用铜的催化作用实现原子级精确生长。

值得注意的是，MXene的表面官能团（-OH、-F等）使其具有优异的亲水性和表面电荷可调性，可通过氢键、离子键和共价键与聚合物基质或其它纳米材料形成复合结构。这种特性使得MXene基膜在保持高水通量（200-500 L·m?2·h?1·bar?1）的同时，具备高达99%的污染物截留率。

2. 纳米过滤机制与性能优化
2.1 多机制协同作用
MXene基膜通过以下机制实现高效分离：
- 层间距筛选（0.5-2 nm可调）
- 电荷排斥（表面负电荷与阳离子污染物相互作用）
- 吸附作用（MXene的π电子云与有机污染物π-π堆积）
- 光催化降解（与TiO2、g-C3N4等复合时）

2.2 关键性能指标
2.2.1 水通量：常规MXene膜通量为100-300 L·m?2·h?1·bar?1，通过层间插入或表面修饰可提升至500 L·m?2·h?1·bar?1
2.2.2 选择性：对分子量<1000 Da的污染物截留率>90%，典型应用包括：
- 染料（Congo Red拒收率99.6%）
- PFAS（PFOA截留率96.5%）
- 抗生素（四环素拒收率94.0%）
- 重金属离子（Cu2?截留率98.8%）

2.3 结构调控策略
2.3.1 层间距控制：通过插入有机/无机分子（如NaCl、LiF、PAA等）调节层间距，例如在Ti3C2Tx中插入聚电解质可扩大层间距0.5-1.2 nm
2.3.2 界面工程：采用静电自组装、真空辅助过滤等工艺形成致密MXene层（厚度3-5 μm），同时保持纳米级孔隙分布
2.3.3 复合结构设计：与COFs、ZIFs、石墨烯等复合，例如：
- MXene/COF复合膜：通过离子交换实现层间距可调，对Congo Red截留率>99%
- MXene/ZIF-8复合膜：孔径分布更窄（0.3-0.7 nm），对重金属离子选择性提升30%

3. 新兴污染物的处理效能
3.1 有机污染物
3.1.1 染料类：对甲基蓝（MB）和刚果红（CR）的截留率均超过98%，通过调节pH可优化分离选择性（如pH>9时CR截留率提升至99.9%）
3.1.2 PFAS类：采用MXene/碳纳米管复合膜，在10 ppm浓度下PFOA截留率达90%以上，结合Fe3?改性可提升至98%
3.1.3 抗生素类：Ti3C2Tx/NF4膜对四环素（TC）的截留率94%，通过光催化处理可提升至87.8%

3.2 无机污染物
3.2.1 重金属离子：采用MXene/多孔材料复合结构（如MXene/ZIF-67），对Cd2?、Pb2?的截留率>99%
3.2.2 硬水离子：通过表面氨基化处理（NH2-MXene），Ca2?截留率>95%，同时保持42 L·m?2·h?1·bar?1的高通量

3.3 微塑料与新兴污染物
3.3.1 微塑料（<10 μm）：采用MXene@α-Al2O3复合膜，对PET微塑料的截留率达99.3%
3.3.2 新型有机物：如双酚A（BPA）通过MXene/LDH复合膜实现100%截留，结合光催化可加速降解
3.3.3 核素处理：采用MXene/SrF2复合膜，对99Tc的截留率>65%，水通量达41.9 L·m?2·h?1

4. 技术挑战与解决方案
4.1 结构稳定性问题
- 氧化损伤：通过表面氟化（-CF3）或引入抗氧化剂（如MnO2）可将氧化率降低至<5%
- 水肿胀：采用PEI/PDMS基质（厚度>2 μm）可抑制肿胀率<8%
- 层间距控制：通过调节模板法中的溶剂配比（如乙醇/水体积比1:1），可稳定维持1.5-2.0 nm层间距

4.2 工艺优化难点
- 均匀分散：采用微乳液技术（如ZIF-8@MXene）可将纳米片分散度提升至98%
- 水通量-选择性的平衡：通过双层级结构设计（如COF/MXene复合膜），可在保持99.6% CR截留率的同时实现563 L·m?2·h?1·bar?1的高通量
- 长期稳定性：采用光催化自清洁技术（如TiO2/MXene复合膜），经200次循环后仍保持>85%初始性能

5. 未来发展方向
5.1 材料创新：开发梯度孔径MXene（0.1-1.0 nm可调）、异质结构（如MXene/WO3异质结）
5.2 工艺优化：建立绿色合成体系（如熔盐法），实现无溶剂MXene膜制备
5.3 系统集成：开发模块化膜反应器（如PVDF/MXene膜组件），集成预处理-分离-催化-自清洁功能
5.4 应用拓展：重点突破海水淡化（高盐环境耐受性）、抗生素原位降解、核废水处理等场景

当前研究已证实MXene基膜在有机溶剂（如乙醇、异丙醇）分离方面表现优异，对分子量500 Da以下的有机物截留率>90%。通过表面功能化（如-FeCOO-、-NH2）可将膜表面电荷从-28 mV调控至+16 mV，显著提升阳离子分离效率。未来研究应着重解决以下关键问题：
1. 开发抗氧化涂层（如MoS2包覆层）提升长期稳定性
2. 建立多尺度孔结构调控理论（纳米层间距-微米级膜厚协同作用）
3. 优化光催化体系（可见光响应范围扩展至600 nm以上）
4. 完善规模化制备工艺（吨级产能可行性研究）

本领域研究已从实验室探索进入中试阶段，如印度尼西亚国家水研究中心（ITB）开发的MXene复合膜处理工业废水，处理成本较传统工艺降低40%，出水PFAS浓度<0.1 μg/L。随着材料基因组计划和高通量筛选技术的应用，MXene基膜有望在2030年前实现商业化突破，为全球水处理产业提供革命性解决方案。