电控可切换的纳米流体Ti?C?T?X膜通过抗膨胀水凝胶支柱实现精确的离子传输控制

《Journal of Membrane Science》：Electro-switchable nanofluidic Ti 3C 2T X membrane enables precise ion traffic control via anti-swelling hydrogel pillars

本研究设计了一种Mn2?-alginate交联的MXene膜，具有纳米级稳定通道（<6.4?）和优异导电性，通过电压调控实现离子选择透过（K?/Mg2?渗透率比达12:0.06），解决传统纳米通道易肿胀问题，为智能海水淡化提供新思路。

　　在自然界中，离子通道是生物体维持生命活动的重要结构。这些通道能够选择性地控制离子的进出，是细胞膜功能的关键组成部分。近年来，科学家们受到生物离子通道的启发，致力于开发人工纳米流体通道，以实现高效的离子选择性传输和可调控的离子门控机制。这类纳米流体通道在多个领域展现出广阔的应用前景，包括离子筛分、能量转换以及智能门控系统等。然而，传统的人工纳米通道往往在溶液环境中容易发生膨胀，这会破坏其离子传输调控能力，限制了其在实际应用中的性能表现。

为了克服这一问题，研究人员设计了一种新型的纳米流体膜材料，该材料基于Mn2?-海藻酸盐插层的Ti?C?T?纳米片。这种结构的特点在于其层间通道宽度小于6.4 ?，同时具备出色的电导率。这样的设计使得膜材料在电压调控下表现出卓越的抗膨胀稳定性，层间间距的变化率低于2%。这一特性为精确控制离子传输提供了坚实的物理基础。在正向电压偏置条件下，K?离子的渗透率相较于无偏压情况提升了12倍，显著优于以往的研究成果。而在负向电压偏置（-0.8 V）下，Mg2?离子的渗透率被有效抑制，仅达到原始速率的6%。这种显著的门控性能源于通道表面电荷极性和大小的可调性，通过施加电压可以间接改变离子的有效传输空间，从而构建出具有电压响应特性的离子门控结构。

这种新型膜材料的设计不仅提升了离子传输的效率，还为构建高效的智能纳米流体系统提供了新的思路。特别是在海水淡化这一能源密集型过程中，这种材料能够实现更节能、更高效的离子分离。与传统的二维材料相比，MXene材料具有更高的电子导电性、优异的机械强度以及丰富的表面官能团（如-O、-OH和-F），这些特性使其在纳米流体工程中具有独特的优势。此外，MXene材料良好的可溶液加工性和易于制备成膜的特性，进一步增强了其在实际应用中的可行性。

尽管MXene材料在纳米流体领域展现出巨大的潜力，但其层间间距仍然容易受到水合和离子插层的影响。长时间暴露于水或高离子强度溶液中可能导致部分膨胀，进而影响纳米通道的尺寸控制精度。为了解决这一问题，研究者们开发了自交联的Ti?C?T? MXene膜材料，通过引入稳定的交联结构有效抑制了层间膨胀，同时实现了对单价金属离子的高选择性。这种材料的稳定性显著提升了其在实际应用中的可靠性，为构建高性能的电压响应纳米流体系统提供了重要的基础。

在实际应用中，这种膜材料不仅能够实现对不同价态离子的高效分离，还能够在不同电压条件下动态调整其离子传输特性。例如，在正向电压偏置下，膜材料能够显著提高K?离子的渗透率，而在负向电压偏置下，则能够有效抑制Mg2?离子的传输。这种动态调控能力对于开发智能纳米流体系统至关重要，因为它允许根据具体需求实时调整离子传输行为。此外，该膜材料的抗膨胀特性确保了其在长时间使用中的机械稳定性，克服了传统纳米流体系统在实际应用中的一个关键障碍。

为了进一步提升这种膜材料的性能，研究人员对其制备过程进行了深入研究。首先，通过选择性蚀刻MAX相前驱体中的Al层，获得了单层Ti?C?T?纳米片。这一过程通常采用LiF-HCl混合液，其中高比例的LiF有助于高效地插入Li?离子，并增强质子交换效率。随后，通过引入海藻酸盐和Mn2?离子，形成了稳定的支柱状交联结构，从而在纳米片之间构建出具有高度稳定性的纳米通道。这种结构不仅提升了膜材料的机械强度，还使其在水溶液中保持层间间距不变，为实现精确的离子传输控制提供了保障。

通过X射线衍射（XRD）分析，研究人员确认了这种膜材料在浸泡前后的层间间距变化极小，保持在约6.4 ?。这一结果表明，该膜材料在水溶液中具有良好的抗膨胀能力，能够有效防止因水分子渗透而导致的结构破坏。此外，该膜材料在低电压（±0.5 V）条件下表现出显著的离子门控效应，其渗透率能够根据电压的变化进行动态调整。这种特性使得该膜材料在实际应用中更加灵活，能够适应不同的离子传输需求。

值得注意的是，这种膜材料的离子选择性不仅依赖于其物理结构，还受到表面电荷密度和电导率的影响。MXene材料的高表面电荷密度和优异的电子导电性，使其在电压调控下能够实现高效的离子传输控制。通过调整电压的极性和大小，研究人员能够实现对不同离子的精确调控，从而提升膜材料的性能表现。例如，在正向电压偏置下，K?离子的渗透率显著提高，而在负向电压偏置下，Mg2?离子的渗透率则被有效抑制。这种选择性调控能力对于开发高性能的纳米流体系统具有重要意义。

此外，这种膜材料的制备方法也为其他类型的纳米流体系统提供了新的思路。通过引入稳定的交联结构，研究人员能够有效提高膜材料的机械强度和抗膨胀能力，使其在复杂环境中保持良好的性能。这种设计策略不仅适用于MXene材料，还可以推广到其他二维纳米材料，为构建高性能的智能纳米流体系统提供了通用的解决方案。

综上所述，这种基于Mn2?-海藻酸盐插层的Ti?C?T?纳米片膜材料，通过其独特的结构设计和优异的性能表现，为实现高效的离子传输控制和智能门控功能提供了新的途径。其抗膨胀特性和电压响应特性，使得该材料在海水淡化、离子分离以及其他需要精确控制离子传输的领域具有广泛的应用前景。未来的研究将进一步探索这种材料在不同应用场景下的性能表现，并优化其制备工艺，以期实现更高效、更稳定的纳米流体系统。