长安大学颜录科教授团队《Adv. Funct. Mater.》：房屋梁-柱结构启发的具有稳定层间距MXene膜用于水净化

点击上方“蓝字” 一键订阅

由于气候变化、淡水资源污染和人口增长导致水资源短缺是全球性的问题。膜分离技术因其高效率、低能耗、无二次污染等成为解决这一危机具有竞争力的方案。由超薄二维（2D）片层构筑的2D层状分离膜，利用片层形成的2D层间通道实现传质运输，在海水淡化、水净化、离子筛分等领域有广泛应用。近年来，过渡金属碳化物和氮化物（MXenes）作为新型的2D片层材料，因其诱人的导电性和表面化学性质，具有良好的发展前景。然而，MXene膜在水环境中极易溶胀，分离性能受到严重限制。因此提高MXene膜在水溶液中的稳定性是目前面临的主要挑战。

建筑房屋时，通常构建梁柱结构以改善其地震阻力容量。受此启发，长安大学颜录科教授、宁波材料所陈涛研究员与清华大学王训教授合作，建立一种具有稳定层间距的Ti₃C₂T_x（MXene）基膜用于水净化。具体来说，高长径比Ti₃C₂T_x纳米片作为“横梁”部分，氮化硼（BN）纳米片作为构建集成膜的每一块“砖”。Ti₃C₂T_x纳米片通过共价交联和超分子氢键与BN纳米片形成稳定的相互作用限制MXene膜的溶胀（图1a-1b）。此外，聚多巴胺（PDA）和聚乙烯亚胺（PEI）通过共价交联作用作为“立柱”支撑集成膜，赋予MXene / BN @ PDA / PEI膜14.7±0.13 Å的稳定层间距（图1c）。令人惊喜地是，MXene / BN @ PDA / PEI膜经600h溶胀测试后仍能保持其初始层间距，表现出优异的抗溶胀性（图1d）。此外，亲水性官能团和丰富的电荷性质赋予复合膜具有出色的抗污能力和环境稳定性。这项工作引入了一种简单的途径构建MXene基膜，具有更稳定的层间通道来满足水净化要求。

 

图1 MXene/BN@PDA/PEI膜的制备示意图：(a)具有梁-柱结构的房子，(b) Ti₃C₂T_x （MXene）纳米片制备，(c) MXene纳米片与BN纳米片组装成2D/2D架构，(d) PDA和PEI通过共价交联反应承担MXene/BN@PDA/PEI复合膜“立柱”部分的作用

通过XRD研究MXene膜的抗溶胀性能。对于原始MXene膜，（002）峰位于6.7975°附近，根据Brag方程计算层间距为 13.05 ± 0.04 Å（图2a）。由于溶胀特性，溶胀实验后原始MXene膜的层间距增加到 16.44±0.07 Å。对于MXene/BN膜，其层间距从 14.11±0.08 Å增加到16.09±0.17 Å，表明相邻Ti₃C₂T_x纳米片导致的溶胀被轻微抑制。与此相反的是， MXene/BN@PDA/PEI 膜在连续浸泡600h后仍刚性地稳定在14.7 ± 0.13 Å，且表现出稳定的层状结构（图2b-2d）。结果表明，MXene/BN@PDA/PEI膜具有狭窄的二维通道结构和优异的抗溶胀性能，这归功于PDA和PEI的Shiff base/Michael addition反应。

图 2 (a) MXene膜(M-1), MXene/BN膜（M-2）、MXene/BN@PEI膜（M-3）、MXene/BN@PDA膜（M-4）和MXene/BN@PDA/PEI膜（M-5）在干燥与润湿状态下的层间距，(b) MXene膜与MXene/BN@PDA/PEI膜不同浸泡时间的层间距变化，(c) MXene膜和MXene/BN@PDA/PEI膜在水中浸泡600h前后的光学照片，MXene/BN@PDA/PEI膜在水中浸泡600h后的表面（d）与截面（e）微观形貌SEM图像图3 (a) MXene/BN@PDA/PEI膜循环分离前后的XRD图，(b) MXene/BN@PDA/PEI膜循环分离前后的层间距，(c) 以前的工作和本工作中不同的MXene基膜层间距和稳定时间的比较，(d) MXene/BN@PDA/PEI复合膜在不同恶劣环境下浸泡6天的XRD图，(e-f) MXene/BN@PDA/PEI膜45次分离循环后的SEM图像和其放大图像

此外，MXene/BN@PDA/PEI膜即使在45次分离循环后仍显示出稳定的分离稳定性与层间距稳定性（图3a-3b）。尤为重要的是，MXene/BN@PDA/PEI 膜具有比大多数MXene基膜更窄的层间通道与更长的稳定时间（图3c）。此外，对MXene/BN@PDA/PEI膜进行强酸、强碱溶液浸泡处理后，仍能保持其初始层间距，表现出良好的环境稳定性（图3d）。

该工作以“Column-to-Beam Structure House Inspired MXene-based Integrated Membrane with Stable Interlayer Spacing for Water Purification”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。长安大学研究生张艳梅为第一作者，长安大学颜录科教授、骆春佳博士，清华大学王训教授和宁波材料所谷金翠博士为共同通讯作者。该研究工作得到国家自然科学基金、陕西省重点研发计划、陕西省自然科学基础研究计划与长安大学中央高校项目等的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202111660

团队简介

长安大学绿塑创新团队是为实现“高分子绿色再生与循环利用”的梦想而成立，旨在推动绿色高分子材料开发、废塑料绿色再生与高值化利用等。团队负责人为颜录科教授，并拥有多位副教授与讲师以及博士后、研究生共20余人。团队常年招收材料、化工相关专业的博士后、博士研究生与硕士研究生，待遇执行长安大学相关标准，热忱欢迎有志之士加盟。

团队负责人简介

颜录科博士，长安大学材料学院高分子材料与工程系教授，博士生导师。主要研发方向为交通功能材料，特种工程塑料，聚合物基复合材料，绿色与功能高分子材料，废塑料绿色再生与高值化利用。主持和参与包括国家自然科学基金、陕西省自然科学基金、教育部新世纪优秀人才支持计划以及冬奥会重大工程项目等多项研究项目，并从事过多项工业界合作项目。部分研究成果发表在Advanced Functional Materials、Small、Journal of Materials Chemistry A、Chemical Engineering Journal、Journal of Membrane Science、Journal of Cleaner Production、Journal of Hazardous Materials等国际主流刊物上，申请专利20余项、授权5项、成功转化2项。先后荣获河南省交通运输科学技术奖二等奖1项、陕西省国防科学技术进步三等奖2项和西安市科学技术三等奖1项。

联系方式：

[e-mail] 或 [e-mail]

相关进展

长安大学颜录科教授团队：基于碳纳米管截留效应在油水分离功能膜方面的研究进展

高分子科技原创文章。欢迎个人转发和分享，刊物或媒体如需转载，请联系邮箱：[e-mail]

诚邀投稿

欢迎专家学者提供稿件（论文、项目介绍、新技术、学术交流、单位新闻、参会信息、招聘招生等）至[e-mail]，并请注明详细联系信息。高分子科技®会及时推送，并同时发布在中国聚合物网上。

欢迎加入微信群 为满足高分子产学研各界同仁的要求，陆续开通了包括高分子专家学者群在内的几十个专项交流群，也包括高分子产业技术、企业家、博士、研究生、媒体期刊会展协会等群，全覆盖高分子产业或领域。目前汇聚了国内外高校科研院所及企业研发中心的上万名顶尖的专家学者、技术人员及企业家。

申请入群，请先加审核微信号PolymerChina （或长按下方二维码），并请一定注明：高分子+姓名+单位+职称（或学位）+领域（或行业），否则不予受理，资格经过审核后入相关专业群。

点

这里“阅读原文”，查看更多