二维MXene/氧化石墨烯膜水脱盐机理的分子模拟研究：结构调控与性能优化

为解决传统膜材料在渗透性与选择性间的"trade-off"效应，研究人员通过分子动力学模拟系统研究了MXene/GO复合膜的脱盐机理。研究发现0.9 nm层间距的MXene/GO(20)膜具有最高水渗透性(37.22×10-7 L·m-1·h-1·bar-1)和100%脱盐率，MXene表面诱导有序水结构加速传输，GO氧化度通过空间位阻效应影响截留性能，为开发高性能二维脱盐膜提供理论依据。

　　

淡水资源短缺已成为21世纪全球面临的重大挑战，海水淡化作为解决途径备受关注。在众多技术中，膜分离技术因其低能耗、易操作等优势成为研究热点，但传统膜材料始终难以突破渗透性与选择性之间的"权衡效应"。近年来，以石墨烯氧化物(GO)和MXene为代表的二维材料为膜技术带来新机遇，其中MXene因其亲水性、高比表面积和丰富活性位点展现出独特优势。然而纯MXene膜存在溶胀稳定性等问题，与GO复合被视为提升性能的新思路。尽管已有实验研究证实MXene/GO复合膜的优异性能，但其微观作用机制仍不明确。

武汉工程大学的研究人员采用分子动力学(MD)模拟方法，系统研究了二维MXene/GO复合膜的水脱盐性能。通过构建不同层间距(0.7-1.1 nm)和GO氧化度(5%-30%)的膜模型，对比纯MXene和纯GO膜，揭示了材料结构与脱盐性能的构效关系。研究发现MXene/GO(20)膜在0.9 nm层间距时展现出最佳性能，水渗透率达37.22×10^-7 L·m^-1·h^-1·bar^-1且盐截留率100%，相关成果发表在《Chinese Journal of Chemical Engineering》上。

研究主要采用分子动力学模拟技术，构建了5.5 nm×5 nm尺寸的Ti₃C₂O₂型MXene和不同氧化度的GO片层模型。通过调控层间距和GO表面羟基/环氧基数量，采用Poiseuille定律分析水流特性，结合氢键网络和空间位阻效应分析脱盐机制。

模型和方法
研究构建了原子级精确的MXene(Ti₃C₂O₂)和GO片层模型，GO氧化度定义为d_O=n_O/n_C×100%，通过改变表面含氧官能团数量实现5%-30%的氧化度调控。

结果和讨论
MXene表面诱导形成有序水分子结构，显著提升水传输效率。增大层间距可提高渗透性，但需与截留性能平衡。GO氧化度增加会增强空间位阻效应，20%氧化度的MXene/GO(20)膜在0.9 nm层间距时实现最优性能组合。

结论
该研究从分子层面阐明了MXene/GO膜的脱盐机理：MXene促进水分子有序排列加速传输，GO官能团通过空间位阻实现离子截留。研究提出的结构-性能关系为设计高性能二维脱盐膜提供了重要理论指导，特别是0.9 nm层间距和20%氧化度的优化参数具有直接工程应用价值。