高透过性抗膨胀MXene/环糊精复合膜用于高效染料/盐纳滤

《Desalination》：Swelling-resistant MXene/cyclodextrin hybrid membranes with high permeability for efficient dye/salt nanofiltration

　　**摘要**- 通过静电途径构建了CD-EDA/MXene混合膜。- CD-EDA限制了MXene层状结构因水化引起的膨胀。- BBR250截留率超过99%，同时盐几乎不受阻碍地通过。- 在各种盐度和pH条件下保持稳定分离性能。**引言**淡水枯竭和污染日益严峻，加上人口压力不断增加，使水资源短缺成为全球最紧迫的问题之一[1]、[2]。在废水处理领域，基于膜的分离技术因其操作简单、能耗低、成本低且环保而广泛应用于废水处理[3]、[4]、[5]、[6]。然而，传统聚合物膜在废水处理中存在一个公认固有的局限性，即渗透性和分离精度之间的权衡。这种渗透性-选择性权衡是传统膜材料的关键瓶颈，限制了其进一步发展和实际应用[7]、[8]。近年来，具有有序层状结构和独特理化性质的二维（2D）膜在分子分离领域展现了显著优势[9]、[10]。通过将二维纳米片堆叠在多孔基底上，可以构建具有明确纳米通道的层状膜，作为精确分子分离的选择性屏障[11]。在这些材料中，Ti?C?T? MXene由于其丰富的表面官能团、良好的机械性能和优异的导电性，在膜分离领域受到了广泛关注[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。然而，MXene的强亲水性使其膜在水环境中极易溶胀，从而降低了其结构完整性和分离性能[17]、[18]、[19]、[20]。先前的研究表明，合理地将MXene与精心设计的分子架构相结合，是提高2D MXene膜在水净化过程中分子分离能力和操作稳定性的有效途径[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]。环糊精（CD）是一种广泛用于超分子化学的环状分子，其外表面含有丰富的羟基并具有固有的疏水腔，这使其具有分子识别和主客体包合作用能力[31]、[32]、[33]、[34]、[35]、[36]。将CD引入MXene膜可以调节膜微结构并促进水通过纳米通道的快速传输。Tao等人证实，羧甲基-β-环糊精可用于化学功能化MXene纳米片，随后通过真空辅助自组装制备了层状2D膜，并表现出增强的通量[37]。Li等人通过将不同尺寸的环糊精与MXene纳米片进行界面分子工程偶联，并引入对苯三甲腈构建聚酯网络，制备了具有亚纳米通道的2D交联膜[38]。这些研究表明环糊精在调节二维层状膜的结构和传输性能方面的潜力。然而，如表S1所示，此前报道的含环糊精二维膜在固定化策略和目标分离应用方面存在显著差异，包括水/离子分离、有机溶剂纳滤和分子分离。相比之下，对于设计具有抗溶胀性与高染料截留率及近乎完全盐通过能力的静电组装环糊精/MXene膜的关注较为有限。因此，开发一种简单组装策略，在渗透性、染料/盐选择性和结构稳定性之间实现良好平衡，是亟需解决的问题。本文中，将Ti?C?T? MXene纳米片与乙二胺功能化环糊精（CD-EDA）结合，形成静电交联的MXene/CD-EDA混合膜（图1）。通过调节MXene与CD-EDA的质量比，成功制备了一系列复合膜。优化后的膜表现出优异的染料/盐纳滤性能。与纯MXene膜相比，其水渗透率约为原来的三倍，同时保持考马斯亮蓝R250（BBR250）截留率超过99%，并允许盐几乎不受阻碍地透过。此外，该膜在高盐度条件下表现出出色的抗溶胀性和稳定的分离性能。本研究为有机废水的高效处理提供了新的见解，并拓宽了环状大分子与2D材料复合膜的应用范围。**章节摘要****材料**所有化学试剂和材料均从商业供应商处采购，未经进一步纯化直接使用。钛铝碳（Ti?AlC?，MAX相，≥80 wt%）由南京先锋纳米材料科技有限公司提供。以下试剂购自上海阿拉丁生化科技有限公司：氟化锂（LiF，99.99%）、N-溴代丁二酰亚胺（NBS，98.0%）、三苯基膦（Ph?P，≥95%）、N,N-二甲基甲酰胺（DMF，分析纯）、乙二胺**Ti?C?T? MXene/MC纳米片的表征**MXene纳米片的制备涉及通过化学蚀刻从Ti?AlC? MAX相前驱体中剥离铝原子[37]、[46]。Ti?C?T? MXene纳米片相互剥离，显示出多层结构，证实了Ti?AlC?（MAX）的完全蚀刻（图2a和b）。Ti?C?T? MXene纳米片表现出超薄单层结构，平均横向尺寸范围为数百纳米（图2c）。图2d证实了其平均横向**结论**总之，本工作采用了一种简便的静电交联策略来制备MXene/CD-EDA混合膜。所得混合膜有效克服了纯2D MXene分离膜固有的两个局限性：渗透性-选择性权衡和抗溶胀性不足。通过引入CD-EDA到MXene层状通道中，成功制备了层间距稳定、高渗透性和高截留率的MC复合膜**作者贡献声明**卢阳：概念化、方法论、数据整理、可视化、调查、正式分析、撰写原稿。苏志新：概念化、方法论、数据整理、可视化、调查、正式分析、撰写原稿。张宏远：方法论、验证、调查。刘敏华：验证、调查。蒋文勇：验证、调查。潘妙佳：验证、调查。杨杰：验证、调查。苏文浩：验证、**利益冲突声明**作者声明不存在已知的相互竞争的财务利益或个人关系，这些关系可能影响本论文所报告的工作。**致谢**本工作得到了湖南省自然科学基金（2021JJ40190）、湖南省精细聚合物可控制备与功能应用重点实验室开放基金（E22305）以及浙江省重点研发计划（项目编号：2024C03134）的资助。卢阳 | 苏志新 | 张宏远 | 刘敏华 | 蒋文勇 | 潘妙佳 | 杨杰 | 苏文浩 | 黄海 | 法希姆·哈桑·阿赫塔尔 | 周虎 | 黄铁帆