聚离子液体铠装MXene膜：促进水传输的层间工程

二维过渡金属碳化物和氮化物（MXenes）具有亲水性、显著的机械强度、湿加工性、电子传导性等特性，在环境修复和水处理领域，MXene膜得到了广泛的研究。与石墨烯等二维材料类似，MXene基膜具有亚纳米级层间通道，能实现水的传输和分子筛分。这种筛分机制主要受纳米通道尺寸排斥和客体-主体间静电相互作用的控制。此外，当层间距在一定的小尺寸范围内时，MXene基膜的分离性能对孔道的亲水性敏感。此时孔道的表面特性开始决定通过的水分子与孔壁之间的相互作用，这直接决定了受限环境中的水传输行为。

MXene的亲水性能赋予MXene基膜与水分子的强亲和力，有助于膜吸收水分子并增加膜的润湿性。然而，实验和模拟指出，亲水性传输通道实际上不利于水渗透。因为水分子和孔道壁间的强烈相互作用增加了摩擦力，从而降低了流速。在这种情况下，具有亲水外表面但疏水传输纳米通道的膜被认为是快速净水的最佳膜。然而，由于在亚纳米受限环境中难以施工，迄今为止仍缺乏关于MXene基膜的孔壁亲水性的有效和简便转换的研究。

聚离子液体（PIL）是离子聚合物的一个子类，其重复单元中具有离子液体（IL）物种。目前研究最多的PIL由阳离子聚合物主链及平衡阴离子组成。阴离子在控制PIL的亲水性和溶解度方面起到重要作用。具有相同阳离子骨架结构和不同阴离子的PIL可溶于不同溶剂，此外，阴离子物种可以通过阴离子交换反应改变，而同时阳离子骨架保持完整。文中指出，这些特性使PIL成为具有大亲水性/疏水性窗口的多面材料，有助于构建MXene基膜的纳米通道。

本文中使用PIL作为定制的表面改性剂，赋予MXene膜亲水/疏水可变纳米通道。通道的表面性质通过原位进行阴离子交换反应加以确定。平衡阴离子的选择不仅可以赋予膜更多的疏水性纳米通道以更好地进行水传输，还能够保持纳米通道的理想参数以实现精确筛选。

图 1 MXene/PIL 膜的制造过程示意图。

图 2 a)–c) 原始MXene纳米片的SEM、TEM和AFM图像。d) 原始MXene和MXene/PILCNBr纳米片在悬浮液中的DLS图（插图：小瓶中相应分散体的照片）。e) N2下纯PILCNBr、原始MXene和MXene/PILCNBr的TGA图。f)、g) MXene/PILCNBr 和 MXene/PILCNTFSI 膜的表面SEM图像。h) MXene/PILCNBr（上）和MXene/PILCNTFSI（下）膜的横截面SEM图像（MXene负载量：160 mg m^-2）。i) MXene@PILCNTFSI膜的表面 SEM 图像（插图：相应悬浮液的顶视图照片）。

图 3 a) 原始 MXene、MXene/PILCNBr 和 MXene/PILCNTFSI 膜的 C 1s 窄扫描光谱的峰值。b) 原始 MXene、MXene/PILCNBr和各种阴离子交换 MXene 膜的XRD结果。c) MXene/PIL纳米片间阴离子交换的示意图。d) 原始 MXene、MXene/PILCNBr 和各种阴离子交换MXene膜的水接触角和表面能。

图 4 a) MD 模拟模型中水、PILCN主链和阴离子的原子结构。b) MXene/PILCNBr、c) MXene/PILCNTFSI 和 d) MXene/PILCNOB 的纳米通道中水、PILCN主链和阴离子的原子质量密度分布。e) 水与阴离子/MXene之间的径向分布函数(RDF)和 f) 坐标数分布。g) 不同PILs纳米通道中水分子的均方距离(MSD)和自扩散系数。

图5 a) MXene/PILCNBr负载量对MXene/PILCNBr膜分离性能的影响。b) MXene、MXene/PILCNBr和各种阴离子交换MXene膜对CR的分离性能（MXene负载量：160 mg m^-2）。c) MXene/PILCNTFSI膜，用于含有各种染料分子的溶液（MXene负载量：80 mg m^-2）。CR：刚果红，分子量（MW）为696.66 g mol^-1；BT：铬黑T，分子量为461.38 g mol^-1；MB：亚甲基蓝，分子量319.85 g mol^-1；RB：玫瑰红，分子量为1017.64 g mol^-1；d）阴离子交换前后各种 PIL 组装的 MXene 膜（MXene负载量：160 mg m^-2）。

文献来源：Poly(ionic liquid)-Armored MXene Membrane: Interlayer Engineering for Facilitated Water Transport. DOI: 10.1002/anie.202202515

本期投稿：SYY

本期编辑：ZSH

版权所属，转载请注明。

意深才浅，拙著多有不足;

不妨留步，说说您的看法。