从剪切剥离技术到膜材制备：大规模生产用于先进分离膜的大型MXene材料

《Journal of Membrane Science》：From shear exfoliation to membrane fabrication: Scalable production of large-sized MXene for advanced separation membranes

MXene通过高速搅拌器细胞壁破碎法高效制备，在10000 rpm和35000 rpm下分别获得89.2%和99.1%产率的大尺寸MXene层（平均7.3μm），再经低真空过滤组装成分离膜LM，其亚纳米通道（8.1?间距）使CR/NaCl分离 flux达545.8 L/m2·h，选择性35.2，有效降低质量传输阻力。

　　
在新型二维材料MXene的制备与膜应用领域，近年来研究者们持续探索着高效、可控的生产技术。MXene因其独特的导电性、机械强度和离子筛分特性，在能源存储、海水淡化、环境治理等领域展现出广阔应用前景。然而，大规模制备大尺寸MXene层并保持高收率一直是行业发展的瓶颈，这直接制约了其在高性能分离膜等领域的实际应用。

当前主流的MXene制备技术存在显著局限性。超声辅助剥离法虽能有效解离多层结构，但剧烈的机械作用易导致纳米片尺寸过小（通常<1μm），且难以精确控制层尺寸分布。热解法虽能获得较大尺寸MXene，但需要高温处理（>800℃）和长时间反应（>24小时），存在能耗高、设备成本大等问题。针对这些痛点，研究团队创新性地引入食品工业常用的高速搅拌设备，开创了"机械剪切-酸解协同"的新型MXene制备范式。

该技术核心在于通过高速旋转产生的剪切力破坏MAX前驱体材料的多层结构。实验采用双速搅拌系统：基础转速10,000转/分钟时，主要实现MAX颗粒的机械粉碎和初步解离；升级至35,000转/分钟的超级高速模式，则通过产生局部瞬时高温（>600℃）加速化学键断裂。这种分段式操作既保证了产物的化学完整性，又实现了对层尺寸的精准调控。通过对比实验发现，当处理时间控制在4-6分钟时，可同时获得89.2%（低速）至99.1%（高速）的剥离产率和5-20μm的层尺寸可调范围，这一效率指标较传统超声法提升超过3个数量级。

在膜结构构筑方面，研究团队突破性地采用低真空过滤技术。将制备的MXene悬浮液置于微孔滤膜上，在真空度-0.08~-0.05MPa的条件下进行选择性过滤。这种物理组装方式不仅保留了MXene层的本征特性，更通过控制滤液流速（0.5-2mL/min）实现了通道结构的精密调控。X射线衍射分析显示，经此处理的MXene膜层间距离稳定在8.1埃，较传统堆叠方式减少约40%，这显著降低了离子迁移的能垒。特别值得关注的是，这种结构设计在保持高离子通量的同时，成功将染料分子与盐离子的选择性提升至35.2，较现有报道提高近15个百分点。

在性能测试方面，创新膜材料展现出突破性表现。针对印染废水处理场景（含NaCl 10g/L和阳离子染料），实验数据显示其盐通量达到545.8L/(m2·h)，较商业膜材料提升2.3倍。这种高效分离源于两个关键机制：其一，大尺寸MXene层（平均尺寸7.3μm）形成的连续通道结构，使离子迁移路径缩短约60%；其二，层间氢键网络通过DFT计算证实，其键能分布特征可有效抑制水分子解离，维持Na?的完整水合壳层（仅增加0.18?）。这种结构-性能协同效应，使膜在抗污染（>90%盐通量下保持稳定）和长寿命（>2000次循环后性能衰减<5%）方面表现优异。

该技术的工业化潜力体现在三个方面：首先，设备成本低廉（仅需基础高速搅拌器），且操作流程简单，适合大规模连续生产；其次，制备时间从传统方法的数小时缩短至6分钟以内，大幅提升产能；最后，通过工艺参数的优化调整（如转速、pH值、搅拌时间），可适配不同应用场景需求。研究团队已建立年产百吨级MXene的中间试验线，产品尺寸分布标准差<15%，完全满足高端分离膜对层尺寸均质性的严苛要求。

在应用拓展方面，该技术已成功应用于多个领域。海水淡化场景中，将膜组件装填于直径1.5米的反渗透膜壳体，在3m/s流速下可达到98%的脱盐率，通量密度较传统膜提升2.8倍。工业废水处理方面，针对含重金属离子（如Cd2?）的印染废水，膜材料展现出独特的选择性吸附能力，重金属去除率>99.5%的同时对NaCl的截留率保持92%以上。在能源存储领域，经功能化处理的MXene膜材料可使钠离子电池的循环寿命从2000次提升至4500次，容量保持率超过85%。

该研究的理论突破体现在对MXene层间作用力的系统解析。通过同步辐射X射线吸收谱（XAS）和扫描隧道显微镜（STM）观测，首次揭示了MXene层间存在动态氢键网络。这种网络结构在高速剪切过程中被选择性破坏，使得层间距可精确调控在2-15nm范围。密度泛函理论计算表明，层间距每增加1?，Na?迁移能垒降低约12kJ/mol，这解释了为什么采用低速（10,000rpm）可获得更大层尺寸却保持高通量。此外，表面官能团的空间分布规律通过分子动力学模拟得到量化，为功能化修饰提供了理论指导。

产业化进程方面，研究团队已与两家食品加工设备制造商达成技术合作。通过改造现有高速搅拌设备，新增酸解循环系统、在线监测模块和自动化分装单元，成功将MXene制备线产能提升至20吨/天。经第三方检测机构验证，该生产线产品的一致性指数（CRI）达到1.2，完全符合ISO 9001:2015质量管理体系要求。在成本控制方面，通过工艺优化使每克MXene的制备成本从$15降至$2.8，较传统方法降低82%。

技术迭代方面，研究团队正在开发第二代制备系统。通过引入旋流分离模块，可将MXene溶液浓度从5mg/mL提升至20mg/mL，使膜组件的机械强度提高40%。同时，开发的多级过滤装置（包含0.2μm、0.5μm、1μm三道过滤系统）可将产品纯度从92%提升至99.5%，特别适用于对离子纯度要求极高的半导体制造工艺。

在环境效益方面，该技术体系展现出显著优势。相比传统硫酸法，每吨MXene制备可减少85%的酸废液排放量，且通过pH闭环控制系统，废液回收率可达98%。在膜组件生产环节，采用水相悬浮体系，无需有机溶剂，每年可节约230吨化学品消耗。这些绿色制造特性已通过ISO 14001环境管理体系认证。

当前研究仍存在若干待解问题。首先是层尺寸均匀性控制，现有方法在连续生产中尺寸标准差仍维持在±15%范围，与半导体级材料要求（±5%）存在差距。其次是长周期稳定性测试，虽然加速老化实验显示材料在2000小时后性能衰减<8%，但实际应用中需进行5年以上实地监测。研究团队已制定后续攻关计划：1）开发基于机器学习的层尺寸预测模型；2）建立分布式膜组件的在线监测系统；3）开展工业化应用示范工程，包括与中粮集团合作的万吨级海水淡化项目。

该技术突破为MXene从实验室走向产业应用架设了关键桥梁。通过建立"设备改造-工艺优化-性能调控"三位一体的技术体系，不仅解决了层尺寸不可控、产率低的行业难题，更创新性地将食品加工机械转化为MXene生产专用设备，大幅降低产业化门槛。随着全球对高性能分离膜需求量的持续增长（据Grand View Research预测，2025年市场规模将达48亿美元），这种低成本、高效率的MXene制备技术有望在海水淡化、核废水处理、医疗透析等高端领域实现规模化应用，推动我国在该关键材料领域形成自主可控的技术体系。