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具有原子厚度的二维(2D)材料作为极有前途的制备超薄二维薄膜的基础材料引起了人们的极大兴趣。这些二维膜由于其超薄的膜厚度和具有尺寸选择性的纳米孔和/或纳米通道而表现出前所未有的高分离渗透。到目前为止,已经报道了大量性能良好的二维膜,突出了这些新型膜在高效分离液体和气体方面的潜力。本文综述了二维膜的最新进展,重点介绍了具有工业吸引力的分离工艺、层流膜的制备方法、膜材料的选择、膜结构的设计和独特的膜传输特性。本文还简要讨论了二维膜商业化应用的机遇和挑战。传统的分离技术往往需要大量的能源,增加了整体操作成本因此,寻找节能的分离替代技术具有十分重要的意义。膜基分离工艺具有能源效率高、分离性能好、投资成本小、连续运行、环境友好等优点,是一种有前景的技术,可以超越传统的高耗能分离工艺。目前,聚合物膜以其优异的溶液加工性、较高的机械稳定性和良好的分离性能,主导着膜基分离市场。然而,由于高分子膜的渗透性和选择性之间存在着内在的权衡效应,因此,高分子膜要满足日益增长的分离降能要求是一项挑战。由二维材料组装的膜可以同时表现出超薄的膜厚度带来的高渗透性和纳米孔和/或纳米通道带来的高选择性。到目前为止,大量的二维材料,包括石墨烯基材料、分子筛、金属有机骨架(MOFs)、共价有机骨架(COFs)、过渡金属二卤代化物(TMDs)和碳化物(MXenes)、和石墨化碳氮化物(g-C3N4)被开发为制备高性能二维膜的有前途的基石(图1)。这些材料主要可分为两大类,即非多孔材料(如石墨烯)。tmd和MXene)和多孔材料(例如,纳米多孔石墨烯,g-C3N4,沸石,MOFs和COFs)。对于由非多孔材料构成的二维膜,渗透过程主要由层间通道和/或平面内裂缝状孔控制。通过精确地控制这些无孔材料的堆叠行为,合成的膜可以显示出优异的选择性和渗透性。对于具有可定制孔隙和功能的多孔材料制备的二维膜,特别是基于MOF和cof的膜,其固有的孔隙可以使分子和离子的超快速和大小选择性渗透,从而获得前所未有的分离性能。因此,在气体分离、渗透蒸发、海水淡化、有机溶剂纳滤等多种分离工艺中,二维膜的设计和制备得到了巨大的努力。因此,及时总结高性能二维膜的最新进展,并为这些膜的未来工业应用方向提供指导是非常必要的。图一、不同的膜分离机制和不同的膜构建单元示意图:(a)分子或离子在二维膜中通过层间通道和/或平面裂缝状孔的传输;(b)分子或离子通过二维膜内固有孔的传输。这篇综述首先讨论了工业上有吸引力的分离过程,旨在促进理解膜分离的重要性。在此基础上,对二维层流膜的制备方法进行了总结,并对高性能膜的构建模块的选择进行了详细讨论。深入分析了二维膜独特的理化性质和纳米结构。文中着重介绍了新颖的二维膜设计和具有突出分离性能的有前途的二维膜的具体例子。此外,详细讨论和比较了由不同构建单元构成的二维膜的分离机理。最后,基本的工程挑战目前限制。本文还概述了这些用于工业分离的二维膜的商业化,希望为进一步推进这些膜的实际应用提供指导。【具有工业吸引力的分离工艺】膜在工业过程中有了大量的应用,包括海水淡化、渗透汽化、有机溶剂纳滤(OSN)和各种气体分离。本节中,重点介绍了几种工业上具有吸引力的分离工艺,并着重讨论了它们的原料、分离条件、最先进的膜材料和当前的分离(海水淡化)薄膜复合(TFC)聚酰胺膜由于其良好的性能和令人印象深刻的机械和化学稳定性主导膜基海水反渗透(SWRO)市场。如图2所示,TFC膜通常由三部分组成:一层厚度约为120