利用膜分离技术将海水中的盐离子滤出以获取可饮用的低盐度淡水，是缓解当今饮用水资源紧缺的有效方法之一。分离膜中的微孔允许水分子通过，但阻隔离子，从而达到脱盐目的。然而膜易于水中溶胀，致使孔径增大，减弱对离子的阻隔作用，损害膜的去离子性能。
近日，
华南理工大学
王海辉教授
课题组联合德国汉诺威大学
Jürgen Caro教授
课题组
，展示了一种利用Al
3+
插层抑制层状二维碳化钛（Ti
3
C
2
Tx，一种MXene材料）膜在水中溶胀的策略。相关研究成果已于
Nature Sustainability
上发表。
作者们利用浓差扩散过程实现
Al
3+
插层Ti
3
C
2
Tx。
通过将抽滤
Ti
3
C
2
Tx
分散液形成的膜夹在一个U型管中间，
并在一侧加入50 mL 0.2 M AlCl
3
水溶液，另一侧加入同体积的去离子水，静置约40 h后，Al
3+
可扩散入Ti
3
C
2
Tx层间（图1a）。
插层的Al
3+
与
Ti
3
C
2
Tx
表面的氧原子形成Al—O键，牢固锁住Ti
3
C
2
Tx各层。
另外，所制备的Al
3+
-Ti
3
C
2
Tx膜附着在聚醚砜（PES）膜上，柔性好（图1b、c）。
元素分析表明Al
3+
被成功引入Ti
3
C
2
Tx层间（图1d）。
图1.Al
3+
-Ti
3
C
2
Tx材料表征。（a）Al
3+
插层Ti
3
C
2
Tx过程示意图；插图：Al
3+
插层操作装置示意图（b-d）Al
3+
-Ti
3
C
2
Tx薄膜实物图（b)、截面形貌（插图：Ti
3
C
2
Tx层状形貌）（c）及元素分布（d）。标尺：（c）5 µm，插图：500 nm；（d）2 nm。图源：
Nature Sustainability
。
Al
3+
-Ti
3
C
2
Tx膜在水溶液中溶胀程度小。X射线衍射测试表明，原始Ti
3
C
2
Tx膜在纯水或常见氯化盐水溶液中浸泡后，层间距从13.5±0.1 Å增大至16.5±0.5 Å（图2a）。而Al
3+
-Ti
3
C
2
Tx膜在相同浸泡条件下层间距从14.7±0.1 Å小幅增至15.1±0.2 Å（图2b）。溶胀程度减小得益于位于层间的Al
3+
对Ti
3
C
2
Tx各层的锁定作用。
图2.（a）Ti3C2Tx和（b）Al
3+
-Ti3C2Tx膜在多种水溶液中浸泡后层间距变化。图源：Nature Sustainability。
得益于减弱的溶胀程度，Al
3+
-Ti
3
C
2
Tx膜展现出比Ti
3
C
2
Tx膜更高的离子脱除性能。Al
3+
-Ti
3
C
2
Tx膜在合成海水中对四种主要阳离子的渗透速率均比Ti
3
C
2
Tx膜小近1-2个数量级（图3a），一价阳离子脱除率高近一倍，二价阳离子脱除率高~20%（图3b）。Al
3+
-Ti
3
C
2
Tx膜的
NaCl脱除率高达89.5%-99.6%，水渗透率快 [~1.1-8.5 L/(
m
2
h)]，且性能在400小时内无明显衰减。
图3. Ti
3
C
2
Tx和Al3+-
Ti
3
C
2
Tx
膜离子脱除性能。海水中四种主要阳离子的（a）渗透速率及（b）脱除率。合成海水中盐溶液浓度：0.0093 M KCl，0.42 M NaCl，0.029 M Na
2
SO
4
，0.011 M CaCl
2
，0.056 M MgCl
2
。图源：
Nature Sustainability
。
更多信息（如计算模拟表征等）请参阅原文：
https://www.nature.com/articles/s41893-020-0474-0
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