CSIRO谢宗丽研究组ACS NANO：Ti3C2Tx MXene纳米夹层：强化超薄复合正渗透膜的分离性能及有机溶剂回收能力- 大数跨境

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CSIRO谢宗丽研究组ACS NANO：Ti3C2Tx MXene纳米夹层：强化超薄复合正渗透膜的分离性能及有机溶剂回收能力

科学材料站

2020-07-05

导读：该工作报道了一种含二维MXene纳米夹层的复合正渗透膜的制备方法。通过控制MXene的浓度及刷涂工艺，揭示并阐明了MXene纳米夹层对尼龙基膜的调节作用，进而探讨了对聚酰胺层的形成机理的影响。

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可用于水处理及有机溶剂回收的高性能Ti3C2Tx MXene纳米夹层复合正渗透膜

作者：吴惺，丁明梅，许航，杨文，张凯松，田华丽，王焕庭

通讯作者：谢宗丽*

单位：澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)

研究背景

近年来，超薄复合正渗透膜在海水淡化和污水处理领域的应用价值得到广泛认可。同时超薄复合正渗透应用于有机溶剂回收的潜力也吸引了越来越多的关注。然而，如何进一步提高膜性能依然是超薄复合膜正渗透膜的重要研究方向。在超薄复合膜的基膜与聚酰胺层之间插入二维纳米夹层近年来被证明可以提高超薄复合膜的分离性能。然而，目前纳米夹层的制备方法多以真空抽滤为主，这一工艺限制了纳米夹层超薄复合膜的膜尺寸。

与真空抽滤相比，利用刷涂的方法将纳米材料涂敷在基底可以提高膜面积。然而在二维纳米夹层复合正渗透膜的制备中，二维纳米材料对复合膜基膜以及聚酰胺层的性能及结构的影响仍需更多的探索和研究。

文章简介

近日，澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)谢宗丽研究员带领的团队与河海大学、中国科学院城市环境研究所、莫纳什大学（Monash Univeristy）的研究组合作，在期刊ACS NANO 上发表了题为“Scalable Ti3C2Tx MXene Interlayered Forward Osmosis Membranes for Enhanced Water Purification and Organic Solvent Recovery ”的研究工作。

该工作报道了一种含二维MXene纳米夹层的复合正渗透膜的制备方法。通过控制MXene的浓度及刷涂工艺，揭示并阐明了MXene纳米夹层对尼龙基膜的调节作用，进而探讨了对聚酰胺层的形成机理的影响。研究进一步表明，通过添加MXene纳米夹层可以有效地提高复合正渗透膜的分离性能。以海水、印染废水、乙醇溶液为原料液，实验结果证明MXene纳米夹层复合正渗透膜在海水淡化、污水处理及有机溶剂回收方面都展现了良好、稳定的分离性能和潜在的应用前景。

该文章第一作者为CSIRO博士后研究员吴惺，谢宗丽研究员为该文章的通讯作者。

要点解析

要点一: 表征及制备方法

图1. MXene夹层复合正渗透膜的制备方法及表征

（a）MXene水溶液的丁达尔效应。

（b）MXene纳米材料SEM图。

（c）MXene纳米材料TEM图。

（d）MXene纳米材料FFT图。

(e) MXene夹层复合正渗透膜的制备过程。

（f）MXene/尼龙基膜实物图。

（g）不同MXene含量和不同刷涂次数的MXene/尼龙基膜实物图。

（h）MXene/尼龙基膜SEM图。

图1示例了MXene的结构、MXene夹层复合正渗透膜的制备过程以及MXene/尼龙基膜的结构特点。表征结果证明MXene在水溶液中具有良好的分散性（图1a），展示了MXene纳米材料的单层结构（图1b和c）及晶体结构（图1d）。

图1e介绍了MXene夹层复合正渗透膜的制备过程。首先通过刷涂工艺，将MXene涂敷在尼龙支撑膜上。随后利用界面聚合工艺，在MXene/尼龙基膜上制备致密聚酰胺层。

从图1f中可以看出，该方法制备的MXene/尼龙基膜尺寸可以达到24×8 cm2。同时，MXene在尼龙支撑膜表面分布均匀。随着MXene的浓度以及刷涂次数的改变, MXene/尼龙膜的颜色由浅变深（图1g）。

进一步表征及测试结果表明通过优化MXene的浓度及刷涂次数可以有效地调节MXene/尼龙基膜的水通量、亲水性、膜表面孔径、孔隙率等性能，从而调控后续界面聚合反应、最终改进复合正渗透膜的分离性能。根据以上结果，作者选用水通量最高、分离性能最好的MXene夹层复合正渗透膜进行后续的测试。

要点二: MXene夹层复合正渗透膜脱盐、水处理性能

图2. MXene夹层复合正渗透膜的水处理性能

（a）连续分离测试。

（b）不同驱动液下的分离性能（聚酰胺层面向原料液）。

（c）不同驱动液下的分离性能（聚酰胺层面向驱动液）。

(d) MXene夹层复合正渗透膜对海水、印染废水的分离效果。

图2（a）展示了MXene夹层复合正渗透膜在连续分离测试中的水通量及盐通量与水通量的比值。可以看出，MXene夹层复合正渗透膜的分离性能稳定。另外，分别以海水和印染废水为原料液，MXene夹层复合正渗透膜展现了良好的脱盐和水处理效果。

要点三: MXene夹层符合正渗透膜在有机溶剂回收方面的应用

图3.

MXene夹层正渗透膜对乙醇回收性能

近年来，正渗透技术在有机溶剂回收领域得到越来越多的关注，然而传统的超薄复合正渗透膜多以聚砜或聚醚砜为基膜材料。与尼龙相比，聚砜或聚醚砜的耐有机溶剂性能不强。为了初步研究MXene夹层复合正渗透膜在有机溶剂回收方面的应用前景，作者以乙醇溶液为例，进行了分离测试。如图3所示，在连续3小时的测试中，MXene夹层复合正渗透膜展示了良好的乙醇通量以及稳定的截留性能。

结论

在此工作中，结合刷涂及界面聚合技术，作者提出了便捷的MXene夹层复合正渗透膜的制备方法，提高了纳米夹层复合膜的膜面积。通过改变MXene水溶液的浓度及刷涂次数，有效地调节了MXene/尼龙基膜的性质，并对后续的聚酰胺层的形成起到了调控作用。与无夹层复合正渗透膜相比，MXene夹层复合正渗透膜展示了更高的水通量和更好的分离效果。同时，MXene夹层复合正渗透膜在海水淡化、印染废水过滤及有机溶剂回收方面均展示了良好的性能和潜在的应用前景。

文章链接:

Scalable Ti3C2Tx MXene Interlayered Forward Osmosis Membranes for Enhanced Water Purification and Organic Solvent Recovery

https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsnano.0c04471

第一作者及导师介绍:

第一作者：

吴惺，2018年获中国科学院大学博士学位，并获得中国科学院院长优秀奖。现于澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）从事博士后研究员工作。近年来发表学术论文10余篇。

通讯作者：

谢宗丽，澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）研究员、催化及先进材料研究组组长、澳新膜协会（Membrane Society of Australasia）理事。近年来主持参与超过30项的澳大利亚、国际科研项目。在海水淡化、污水处理、环境催化等方面发表学术论文90余篇，同行引用3200余次。拥有授权专利2项。