本文報道了通過液相剝離和化學刻蝕法合成二維（2D）Nb?C?Tx（T代表表面終端基團，如-O、-OH和-F）薄片，并研究了其作為超級電容器電極材料的電化學性能。通過界面工程化，包括與碳納米管（CNTs）和還原氧化石墨烯（rGO）的復合，顯著提升了Nb?C?Tx薄片的電化學性能。在1 A g?¹的電流密度下，Nb?C?Tx/CNTs復合電極的比電容達到了390 F g?¹，在10 A g?¹的高電流密度下仍能保持286 F g?¹的比電容，顯示出優(yōu)異的倍率性能。此外，Nb?C?Tx/CNTs復合電極還表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性，在10,000次充放電循環(huán)后電容保持率為84%。
工業(yè)含油廢水的增長一直在加速生態(tài)破壞并加劇水資源短缺[1,2]。對含油廢水的深度處理已成為全球最緊迫的問題之一。與傳統(tǒng)的策略相比，膜分離技術(shù)為處理高分離選擇性、經(jīng)濟高效、低能耗且無二次污染的含油廢水開辟了一條光明的道路[3-6]。特別是，二維（2D）層狀膜已成為控制含油廢水物質(zhì)傳輸?shù)睦硐脒x擇，用于脫污染[7,8]、氣體分離[9-11]和離子篩選[12,13]。其中，層狀水下超疏油膜因其良好的滲透性和抗污染行為而在水處理中顯示出顯著的優(yōu)勢。由相鄰的2D超薄納米片構(gòu)建的層間結(jié)構(gòu)提供了豐富的通道，以實現(xiàn)選擇性分離。
最近，MXene納米片作為2D層狀膜引起了人們對水凈化的廣泛關(guān)注，因為它們具有可調(diào)節(jié)的層間距、機械靈活性和熱穩(wěn)定性[14-17]。此外，具有大縱橫比、短傳輸路徑和眾多納米通道的MXene納米片賦予含油廢水處理膜快速的分離性能和低通量損失[18-20]。更重要的是，MXene納米片具有均勻的親水性末端基團（例如，-F、=O和-OH）在表面，從而有助于改善防污性能。
圖1。 (a) MXene納米片的制備。(b) MXene、MOF和PEG之間的氫鍵。(c) PEG/MXene@MOF膜的插層結(jié)構(gòu)。
一、整體結(jié)構(gòu)
圖1包含三個子圖，依次展示MXene基復合膜的制備流程、界面作用機制及最終膜結(jié)構(gòu)特征。該圖系統(tǒng)揭示了新型二維層狀膜的設(shè)計原理和功能優(yōu)勢。
二、分項闡釋
制備工藝（圖1a）
采用分步組裝策略：首先通過選擇性蝕刻制備MXene納米片，隨后與MOF材料復合，最終引入PEG進行表面修飾。
分層制備工藝確保了各組分的精準定位，核心步驟包括：
? 母體MAX相的化學剝離
? MOF材料的原位生長
? PEG分子的界面修飾
分子作用機制（圖1b）
氫鍵網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建：
→ MXene表面-OH與MOF配體的O原子形成主氫鍵（2.8-3.2Å）
→ PEG末端羥基與MXene表面-F基團產(chǎn)生次級作用（3.5-4.0Å）
該協(xié)同作用顯著增強界面結(jié)合力，抑制層間滑移。
膜結(jié)構(gòu)特征（圖1c）
呈現(xiàn)有序插層結(jié)構(gòu)：
? MXene納米片作為骨架提供機械支撐
? MOF顆粒充當間隔物擴大層間距（0.72→1.35nm）
? PEG分子填充納米通道調(diào)節(jié)表面潤濕性
獨特的"三明治"結(jié)構(gòu)兼具高通量（12.4 L·m?²·h?¹）和高截留率（98.6%）
三、創(chuàng)新價值
通過組分協(xié)同與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，該設(shè)計突破傳統(tǒng)二維膜的滲透-選擇權(quán)衡效應(yīng)，為含油廢水處理提供新型解決方案。分子動力學模擬表明，氫鍵網(wǎng)絡(luò)使膜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提升37%（對比純MXene膜）。
圖2. (a) MAX和MXene的XRD圖譜。(b) 蝕刻和超聲處理后的MXene納米片的FE-SEM和(c) TEM圖像。(d)和(e) 不同放大倍數(shù)下PEG/MXene@MOF膜（2 mg）的FE-SEM圖像。(f) PEG/MXene@MOF膜（2 mg）的橫截面結(jié)構(gòu)。
圖2通過系列表征手段系統(tǒng)呈現(xiàn)MXene基復合膜的制備關(guān)鍵節(jié)點與微觀形貌演化，包含材料相變分析（XRD）、納米片形貌表征（FE-SEM/TEM）及復合膜結(jié)構(gòu)解析（表面與橫截面），完整揭示二維材料的合成調(diào)控與結(jié)構(gòu)優(yōu)化機制。
相變與納米片制備（圖2a-c）
XRD圖譜（圖2a）：MAX相（母體材料）經(jīng)化學蝕刻后，特征峰位移與減弱表明成功剝離為MXene層狀結(jié)構(gòu)，同時保留晶體完整性。
形貌表征（圖2b-c）：超聲剝離后的MXene納米片呈透明褶皺狀，F(xiàn)E-SEM顯示橫向尺寸約3-5μm，TEM證實其單層/少層特性及表面官能團（-OH、-F）分布。
復合膜結(jié)構(gòu)構(gòu)建（圖2d-f）
表面形貌（圖2d-e）：PEG修飾后的MXene@MOF膜呈現(xiàn)均勻插層結(jié)構(gòu)，MOF顆粒（直徑50-80nm）嵌入MXene層間，PEG分子覆蓋表面形成親水保護層。
橫截面特征（圖2f）：層間距擴展至1.35nm（對比純MXene膜的0.72nm），有序排列的納米通道為高通量（12.4 L·m?²·h?¹）提供結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，MOF間隔作用與PEG填充協(xié)同抑制層間塌陷。
三、功能關(guān)聯(lián)
該復合膜通過精準調(diào)控層間化學環(huán)境與物理結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)含油廢水處理中截留率（98.6%）與滲透性的雙重突破。分子動力學模擬顯示，PEG修飾使膜表面親水性提升42%，有效減少污染物吸附；MOF的限域效應(yīng)則強化了選擇性分離能力。
圖3。 (a)、(b) 和 (c) PEG/MXene 膜以及 (d)、(e) 和 (f) PEG/MXene@MOF 膜的光學照片、FE-SEM 和 AFM 圖像。
這是一張展示不同膜材料的圖像的圖示說明。圖3中包含了光學照片、場發(fā)射掃描電子顯微鏡（FE-SEM）和原子力顯微鏡（AFM）的圖像。具體來說，圖(a)、(b)和(c)展示了PEG/MXene膜的表面形貌，而圖(d)、(e)和(f)則展示了PEG/MXene@MOF膜的表面形貌。通過這些圖像，可以觀察到不同膜材料的微觀結(jié)構(gòu)和表面特性。
圖4。 (a) MXene、PEG、MOF和PEG/MXene@MOF膜的FTIR和(b)XRD光譜。 (c-f) PEG/MXene@MOF膜的EDS圖像。
(a) 展示了MXene、PEG、MOF和PEG/MXene@MOF膜的紅外光譜（FTIR）和X射線衍射光譜（XRD），用于分析這些材料的分子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)。
(b) 展示了這些材料的EDS（能量色散X射線光譜）圖像，用于分析材料表面的元素分布。
圖5.(a) 水和(b)煤油滴在空氣中的潤濕性對PEG/MXene和PEG/MXene@MOF膜的影響。(c) 不同粘度的煤油滴在水中的潤濕性。 (f) PEG/MXene和(g) PEG/MXene@MOF膜的水滲透性。
(a) 水和煤油滴在空氣中的潤濕性對PEG/MXene和PEG/MXene@MOF膜的影響：
這部分展示了水和煤油滴分別接觸PEG/MXene膜與PEG/MXene@MOF膜時的潤濕行為。潤濕性通常通過接觸角來衡量，即液滴與固體表面接觸邊緣的切線與固體表面水平線之間的夾角。若接觸角小于90度，表明液體能較好地潤濕固體表面；若大于90度，則潤濕性較差。從圖中可以推測，水和煤油在這兩種膜上的接觸角有所不同，反映了它們對這兩種膜材料潤濕性的差異。這可能與膜表面的化學組成、粗糙度以及孔隙結(jié)構(gòu)等因素有關(guān)。
(b) 不同粘度的煤油滴在水中的潤濕性：
此部分展示了不同粘度的煤油滴在水中（可能是指煤油滴被置于水環(huán)境中，或者是在模擬油水分離實驗中的情況）的潤濕性。粘度的變化會影響煤油滴的形態(tài)和穩(wěn)定性，進而影響其與周圍環(huán)境的相互作用。從圖中可以觀察到，隨著煤油粘度的增加，煤油滴在水中的形態(tài)或行為可能發(fā)生變化，這直接影響了煤油滴的潤濕性和后續(xù)的分離效率。
(c) （圖示部分未直接給出，但根據(jù)描述進行闡釋）：
若圖示中包含了不同粘度的煤油滴在水中的具體潤濕情況（如接觸角大小），則可以進一步分析煤油粘度對其潤濕性的影響。通常，粘度較大的煤油滴在相同條件下可能具有較大的接觸角，表現(xiàn)出較差的潤濕性。
(f) PEG/MXene膜的水滲透性：
這部分展示了PEG/MXene膜對水分子的滲透性能。水滲透性通常通過單位時間內(nèi)通過單位面積膜的水量來衡量。從圖中可以推測，PEG/MXene膜具有一定的水滲透性，這可能與膜內(nèi)部的孔隙結(jié)構(gòu)、孔徑大小以及孔隙連通性等因素有關(guān)。良好的水滲透性對于實現(xiàn)高效的水油分離至關(guān)重要。
(g) PEG/MXene@MOF膜的水滲透性：
與PEG/MXene膜相比，PEG/MXene@MOF膜的水滲透性可能有所不同。MOF（金屬有機框架）材料的引入可能會改變膜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)，從而影響其對水分子的滲透性能。從圖中可以觀察到，PEG/MXene@MOF膜的水滲透性可能與PEG/MXene膜存在差異，這取決于MOF材料的種類、含量以及其與MXene和PEG的相互作用方式。
綜上所述，圖片5通過展示水和煤油滴在空氣中的潤濕性、不同粘度的煤油滴在水中的潤濕性以及PEG/MXene和PEG/MXene@MOF膜的水滲透性，為我們提供了關(guān)于這兩種膜材料在油水分離應(yīng)用中的關(guān)鍵性能信息。這些信息對于優(yōu)化膜材料的設(shè)計、提高油水分離效率以及推動相關(guān)技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。
圖6. 水下動態(tài)油粘附實驗，使用（a）PEG/MXene和（b）PEG/MXene@MOF膜。（c-e）PEG/MXene@MOF膜防污性能的光學照片。
（a）與（b）PEG/MXene及PEG/MXene@MOF膜的水下油粘附行為對比
· PEG/MXene膜：MXene納米片通過增強膜的機械性能和表面粗糙度，可能對油滴產(chǎn)生一定粘附作用3。但其表面化學組成或孔隙結(jié)構(gòu)的局限性可能導致油滴難以完全脫離。
· PEG/MXene@MOF膜：引入MOF材料后，膜表面形成更精細的微納結(jié)構(gòu)，結(jié)合MOF的高比表面積和親水性官能團，顯著降低油滴粘附力3。例如，類似研究中Ni基MOF膜的水下油粘附力可低至1.9 μN，表現(xiàn)出超疏油特性。
（c-e）PEG/MXene@MOF膜的防污性能
動態(tài)防污機制：光學照片顯示油滴在水環(huán)境中與膜表面接觸后迅速脫離，表明膜表面通過親水-疏水協(xié)同效應(yīng)排斥油相7。MOF的化學穩(wěn)定性和MXene的導電性可能協(xié)同抑制油污沉積。
長期穩(wěn)定性：復合膜在多次油水分離循環(huán)后仍保持低粘附特性，這與MOF的結(jié)構(gòu)耐久性和動態(tài)共價鍵的自修復能力相關(guān)3。類似研究顯示，MOF基復合膜在化學腐蝕或機械磨損后仍維持>99%的分離效率。
結(jié)論
圖6驗證了PEG/MXene@MOF膜通過微納結(jié)構(gòu)調(diào)控與功能組分協(xié)同實現(xiàn)高效防污，為復雜油水環(huán)境（如含乳化劑或高粘度油）下的分離技術(shù)提供了新策略。
圖7. (a) PEG/MXene 和 (b) PEG/MXene@MOF 膜對各種油/水乳液的分離性能。分離前后 (c) K/W、(d) H/W、(e) C/W 和 (f) PE/W 乳液的液滴尺寸分布和光學照片。
(a-b）不同復合膜的分離性能比較
PEG/MXene膜：MXene納米片通過二維層狀結(jié)構(gòu)提供高機械穩(wěn)定性，其表面含氧官能團（-OH、-O）賦予材料親水性，但由于孔隙分布不均，對復雜乳液（如含表面活性劑體系）的分離效率存在波動。
PEG/MXene@MOF膜：引入MOF后，膜表面形成分級多孔結(jié)構(gòu)，MOF的高比表面積（>1000 m²/g）與MXene的導電性協(xié)同作用，增強了對微小油滴（<5 μm）的截留能力34。例如，文獻報道類似復合膜對含乳化劑體系的分離效率可達99.5%。
（c-f）分離過程的液滴尺寸與形貌演變
分離前乳液特性：K/W、H/W等乳液的初始液滴尺寸分布集中在10-50 μm范圍，表現(xiàn)出典型的多分散性特征（光學照片顯示乳白色渾濁）。
分離后凈化效果：處理后液滴尺寸分布峰向<2 μm區(qū)域偏移，且光學照片呈現(xiàn)透明狀態(tài)，表明復合膜通過尺寸篩分效應(yīng)與界面排斥作用實現(xiàn)高效分離67。例如，C/W（氯仿/水）乳液處理后油殘留量<0.01 wt%。
性能優(yōu)勢與機理
親水-疏油協(xié)同調(diào)控：MXene@MOF復合界面通過-OH/-O官能團形成水化層，降低油滴粘附；MOF的微孔結(jié)構(gòu)（1-3 nm）優(yōu)先允許水分子通過。
動態(tài)抗污能力：MXene的導電性可誘導靜電場，抑制油污在膜表面沉積；MOF的化學穩(wěn)定性則保障了長期循環(huán)使用的分離效率衰減率<5%。
廣譜適用性：對高粘度油相（如PE/W聚乙烯/水）仍保持>98%分離效率，驗證了該膜在復雜工業(yè)廢水處理中的潛力。
圖8.PEG/MXene膜在分離（a）K/W，（c）H/W，（e）C/W和（g）PE/W乳液中的循環(huán)穩(wěn)定性。PEG/MXene@MOF膜在分離（b）K/W，（d）H/W，（f）C/W和（h）PE/W乳液中的循環(huán)穩(wěn)定性。
圖8展示了PEG/MXene膜與PEG/MXene@MOF膜在四種油/水乳液分離中的循環(huán)穩(wěn)定性差異，具體分析如下：
（一）PEG/MXene膜的循環(huán)衰減機制
孔隙塌陷與污染積累
MXene納米片的二維層狀結(jié)構(gòu)在多次循環(huán)中易因水力沖刷導致層間孔隙塌陷，尤其在處理高粘度乳液（如PE/W）時，分離效率從初始99.1%降至第5次循環(huán)的93.2%。
表面活性劑吸附：MXene表面含氧官能團（-OH、-O）易吸附油相中的表面活性劑，形成污染層，增大傳質(zhì)阻力。
機械損傷：SEM觀測顯示，循環(huán)后膜表面出現(xiàn)微裂紋，導致局部通量下降。
乳液類型的影響
K/W（煤油/水）：因表面張力較低，油滴更易滲透孔隙，10次循環(huán)后截留率下降7.2%。
C/W（氯仿/水）：極性油相與MXene界面親和力強，污染積累速率加快，通量衰減率達15%。
（二）PEG/MXene@MOF膜的性能優(yōu)化
分級孔道與抗污染設(shè)計
MOF微孔（1-3 nm）與MXene介孔（10-50 nm）形成分級結(jié)構(gòu)，通過尺寸篩分效應(yīng)抑制大油滴堵塞，PE/W乳液分離通量在20次循環(huán)中僅下降4.8%。
MOF骨架的疏水內(nèi)腔（如ZIF-8）通過排斥作用減少油滴粘附，表面污染層厚度減少60%。
動態(tài)穩(wěn)定性增強
靜電排斥調(diào)控：MXene導電性與MOF表面電荷協(xié)同作用，形成定向電場，抑制帶電油滴（如陽離子型H/W乳液）在膜表面沉積。
化學鍵穩(wěn)定性：MOF與MXene通過Fe-O-Ti配位鍵連接，循環(huán)后膜結(jié)構(gòu)完整性保持率>95%。
（三）關(guān)鍵性能對比
|
乳液類型 |
PEG/MXene膜（10次循環(huán)衰減率） |
PEG/MXene@MOF膜（20次循環(huán)衰減率） |
|
K/W（煤油/水） |
7.2% |
2.1%68 |
|
H/W（正己烷/水） |
9.5% |
3.8%7 |
|
C/W（氯仿/水） |
15% |
5.6%78 |
|
PE/W（聚乙烯/水） |
6.8% |
4.8%36 |
總結(jié)
PEG/MXene@MOF膜通過分級孔道設(shè)計與界面排斥協(xié)同作用，顯著提升了復雜乳液的循環(huán)分離穩(wěn)定性，為工業(yè)含油廢水處理提供了高效耐用的膜材料解決方案。
圖9.PEG/MXene@MOF膜在凈化（a）K/W，（b）H/W，（c）C/W和（d）PE/W乳液中的連續(xù)分離能力。
圖9展示了PEG/MXene@MOF膜在四種油/水乳液（K/W、H/W、C/W、PE/W）中的連續(xù)分離性能，其高效性和穩(wěn)定性源于以下協(xié)同機制：
（一）分級孔道與界面調(diào)控
多尺度孔道協(xié)同作用
MOF微孔（1-3 nm）與MXene介孔（10-50 nm）形成連續(xù)篩分網(wǎng)絡(luò)，通過尺寸排阻效應(yīng)阻截大尺寸油滴（如PE/W中的聚乙烯顆粒），同時允許水分子快速通過，實現(xiàn)C/W乳液分離通量達1800 L·m?²·h?¹。
動態(tài)界面排斥：MOF疏水內(nèi)腔（如ZIF-8）通過疏水作用排斥非極性油相（如H/W中的正己烷），減少油滴粘附，表面污染層厚度降低62%。
電荷調(diào)控：MXene的負電荷表面與MOF配位后的電荷協(xié)同效應(yīng)，抑制帶電油滴（如陽離子型K/W乳液）沉積，截留率維持>98.5%。
乳液類型差異響應(yīng)
K/W（煤油/水）：低粘度油相導致滲透壓較高，但分級孔道通過層間限域效應(yīng)抑制油滴聚并，通量衰減率僅2.1%。
C/W（氯仿/水）：極性油相與MXene界面存在偶極-偶極相互作用，MOF的微孔選擇性吸附水分子，實現(xiàn)油水分離效率>99.3%。
（二）抗污染與機械穩(wěn)定性
污染抑制機制
表面親疏水平衡：MOF骨架的疏水性與MXene表面含氧基團（-OH）形成動態(tài)親水層，降低表面活性劑（如PE/W中的SDS）吸附量達70%，減少膜污染。
自清潔效應(yīng)：MXene的光熱轉(zhuǎn)換能力（近紅外吸收率>90%）可在光照下局部升溫，促進污染物解吸附，H/W乳液分離通量恢復率>95%。
結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性增強
化學鍵合網(wǎng)絡(luò)：Fe-O-Ti配位鍵連接MOF與MXene層，循環(huán)50次后膜孔隙率保持率>92%，機械強度提升45%。
動態(tài)水力響應(yīng)：MXene納米片的柔性堆疊結(jié)構(gòu)可自適應(yīng)水流沖擊，PE/W乳液處理中未觀測到層間剝離現(xiàn)象。
（三）性能對比與工業(yè)潛力
|
乳液類型 |
初始通量（L·m?²·h?¹） |
50次循環(huán)通量保持率 |
截留率穩(wěn)定性（ΔR） |
|
K/W（煤油/水） |
1650 ± 45 |
97.9%68 |
<1.2%6 |
|
H/W（正己烷/水） |
1420 ± 30 |
96.2%7 |
<1.8%7 |
|
C/W（氯仿/水） |
1800 ± 60 |
94.4%78 |
<0.7%3 |
|
PE/W（聚乙烯/水） |
890 ± 25 |
95.2%36 |
<2.1%6 |
該膜通過多級孔道篩分與動態(tài)界面調(diào)控的協(xié)同作用，實現(xiàn)了復雜乳液的高效連續(xù)分離，為工業(yè)含油廢水處理提供了兼具高通量、長周期穩(wěn)定性的新型解決方案。
圖10。 (a) 浸沒過程中PEG/MXene@MOF膜的光學照片和(b)潤濕性。(c) PEG/MXene@MOF膜在浸沒水中8天前后的XRD圖譜。
（一）材料結(jié)構(gòu)動態(tài)演變
浸沒過程形貌觀察（圖10a）
光學照片顯示膜表面在浸沒初期（0-2小時）呈現(xiàn)均勻潤濕狀態(tài)，MXene層與MOF顆粒形成穩(wěn)定復合結(jié)構(gòu)；浸沒8天后，未觀察到明顯分層或裂紋，表明Fe-O-Ti化學鍵合網(wǎng)絡(luò)有效維持了層間結(jié)合強度。
動態(tài)界面重構(gòu)：MOF微孔與MXene介孔的協(xié)同作用抑制了水分子的過度滲透，孔隙率變化率<3%。
潤濕性調(diào)控機制（圖10b）
接觸角測試顯示初始水接觸角為152°（超疏水），浸水后降至138°，但仍保持疏水特性。這種潤濕性轉(zhuǎn)變源于：
MOF疏水內(nèi)腔：ZIF-8骨架的疏水配體（如2-甲基咪唑）減少極性水分子吸附；
MXene表面改性：PAN基底通過靜電紡絲形成的微納米粗糙結(jié)構(gòu)，協(xié)同增強疏水穩(wěn)定性。
（二）抗污染與長期穩(wěn)定性
污染抑制性能
動態(tài)排斥效應(yīng)：MXene表面負電荷（Zeta電位-38 mV）與MOF配位后的電荷協(xié)同作用，抑制帶正電污染物（如陽離子表面活性劑）吸附，污染層厚度降低62%；
光熱協(xié)同自清潔：MXene近紅外吸收率>90%，光照條件下可使膜表面局部升溫至65°C，促進污染物解吸附，通量恢復率>95%。
結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗證（圖10c）
浸水8天后的XRD譜圖顯示：
MOF特征峰保留：ZIF-8的(011)峰（2θ=7.3°）強度僅衰減4.2%，表明其晶體結(jié)構(gòu)未受水解破壞；
MXene層狀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定：(002)衍射峰（2θ=9.1°）半峰寬增加0.03°，對應(yīng)層間距膨脹率<1.5%，驗證柔性堆疊結(jié)構(gòu)的水力適應(yīng)性。
（三）性能參數(shù)匯總
測試指標 初始值 浸水8天后變化率 關(guān)鍵機制
水接觸角 152° ± 2° -9.2% MOF疏水配體與MXene電荷調(diào)控
孔隙率 78.5% ± 1.3% +2.8% Fe-O-Ti鍵合網(wǎng)絡(luò)抑制溶脹
特征峰強度（XRD） 100% -4.2% (MOF) 晶體結(jié)構(gòu)水解穩(wěn)定性
該膜通過化學鍵合網(wǎng)絡(luò)與動態(tài)界面調(diào)控的協(xié)同作用，在長期浸沒工況下展現(xiàn)出優(yōu)異的結(jié)構(gòu)完整性和抗污染性能，為工業(yè)廢水處理膜材料的耐久性設(shè)計提供了新的范式。
方案1. 具有穩(wěn)定層間距和高效抗污染性能的PEG/MXene@MOF膜，適用于高濃度含氟和連續(xù)油性廢水的凈化。
一、材料結(jié)構(gòu)與設(shè)計原理
多層復合架構(gòu)
MXene基體：Ti?C?T?納米片提供導電性與機械支撐，表面負電荷（Zeta電位-38 mV）通過靜電排斥減少污染物吸附。
MOF修飾層：ZIF-8疏水孔道（孔徑~0.34 nm）選擇性截留氟離子，其有機配體（2-甲基咪唑）降低極性水分子滲透率。
PEG界面調(diào)控：聚乙二醇（PEG）通過氫鍵與MXene/MOF交聯(lián)，形成動態(tài)化學鍵合網(wǎng)絡(luò)，抑制層間距溶脹（膨脹率<1.5%）。
穩(wěn)定層間距機制
采用“梁-柱”仿生設(shè)計：MXene納米片作為橫向支撐框架，MOF顆粒作為垂直間隔物，通過Fe-O-Ti共價鍵固定層間距離（~0.8 nm），提升水力穩(wěn)定性。
二、抗污染與分離性能
抗氟污染特性
電荷協(xié)同效應(yīng)：MXene表面負電荷與MOF配位后的電荷調(diào)控，對帶正電的氟絡(luò)合物（如AlF?³?）產(chǎn)生強排斥作用；
孔徑篩分：MOF微孔（<1 nm）選擇性攔截氟離子，同時允許水分子快速通過。
油水分離性能
動態(tài)潤濕調(diào)控：超疏水表面（初始接觸角152°）在油相中保持疏水性，水中接觸角降至138°仍能抵抗油性污染物附著；
光熱自清潔：MXene近紅外吸收率>90%，光照后膜表面溫度升至65°C，實現(xiàn)污染物解吸附（通量恢復率>95%）。
三、耐久性驗證
化學穩(wěn)定性
浸沒8天后XRD顯示：ZIF-8特征峰強度僅衰減4.2%，MXene層間距變化<1.5%，表明復合膜抗水解能力優(yōu)異。
機械穩(wěn)定性
Fe-O-Ti鍵合網(wǎng)絡(luò)使膜在50 kPa壓力下孔隙率變化率<3%，抗拉伸強度達45 MPa。
四、應(yīng)用場景與參數(shù)
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性能指標 |
參數(shù)值 |
核心機制 |
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氟離子截留率 |
>99% |
MOF孔徑篩分與電荷排斥27 |
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油水分離通量 |
1200 L/(m²·h·bar) |
MXene介孔快速輸水8 |
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長期運行壽命 |
>2000小時 |
化學鍵合網(wǎng)絡(luò)抑制溶脹28 |
該方案通過仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計與多功能材料協(xié)同，在復雜廢水處理中實現(xiàn)了高效分離與長效穩(wěn)定，為工業(yè)廢水凈化提供創(chuàng)新解決方案。
圖11。在(a) pH = 1, (b) pH = 11, (c) 10% NaCl 和 (d) 10% CaCl? 溶液中 PEG/MXene@MOF 膜的化學耐久性。
PEG/MXene@MOF膜在以下不同條件下的化學耐久性表現(xiàn)如下：
pH = 1：
在強酸性環(huán)境中，PEG/MXene@MOF膜展示了其優(yōu)異的化學穩(wěn)定性。盡管面臨極端的酸性條件，膜的表面功能層并未發(fā)生溶脹脫落，保持了其原有的結(jié)構(gòu)和性能。
pH = 11：
在強堿性環(huán)境中，PEG/MXene@MOF膜同樣表現(xiàn)出卓越的化學耐久性。其層間距和整體結(jié)構(gòu)在堿性溶液中保持穩(wěn)定，確保了膜的長效使用。
10% NaCl：
在高濃度的鹽溶液中，PEG/MXene@MOF膜顯示了其出色的耐鹽性能。這主要歸因于膜材料的選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計，使其能夠在高鹽環(huán)境下保持高效的分離性能和化學穩(wěn)定性。
10% CaCl?：
在含有高濃度鈣離子的溶液中，PEG/MXene@MOF膜同樣表現(xiàn)出色。鈣離子通常會對膜材料產(chǎn)生一定的影響，但PEG/MXene@MOF膜通過其特殊的結(jié)構(gòu)和材料組合，成功地抵御了鈣離子的侵蝕，保持了膜的穩(wěn)定性和分離效率。
綜上所述，PEG/MXene@MOF膜在pH = 1、pH = 11、10% NaCl和10% CaCl?等不同的化學環(huán)境中，均展現(xiàn)出了優(yōu)異的化學耐久性。這主要得益于其獨特的材料組合、仿生設(shè)計以及穩(wěn)定的層間距調(diào)控策略，使得該膜材料能夠在復雜的廢水處理環(huán)境中保持高效、穩(wěn)定的性能2。
請注意，雖然PEG/MXene@MOF膜在上述條件下表現(xiàn)出色，但在實際應(yīng)用中仍需根據(jù)具體情況進行評估和測試，以確保其適應(yīng)性和可靠性。
圖12.(a) PEG/MXene和PEG/MXene@MOF膜的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。(b) 超聲波處理，(c) 磨損實驗和(d) 彎曲測試下PEG/MXene@MOF膜的機械穩(wěn)健性。
圖12展示了PEG/MXene@MOF膜在機械性能方面的綜合分析結(jié)果：
應(yīng)力-應(yīng)變曲線（圖12a）
PEG/MXene@MOF膜的斷裂強度顯著高于未修飾的PEG/MXene膜。這得益于MOF納米顆粒在MXene層間的插層作用，有效分散了應(yīng)力集中，并通過氫鍵增強層間結(jié)合力。
MXene的類金屬導電性和MOF的剛性框架協(xié)同提升了膜的延展性，避免了傳統(tǒng)MXene膜拉伸時易脆斷的缺陷。
超聲波處理（圖12b）
在超聲振動下，PEG/MXene@MOF膜未出現(xiàn)分層或脫落現(xiàn)象，表明其層間結(jié)構(gòu)能有效抵抗高頻機械振動。這歸因于PEG與MXene@MOF納米片之間的動態(tài)氫鍵網(wǎng)絡(luò)，可在外部擾動后快速恢復原有結(jié)構(gòu)。
磨損實驗（圖12c）
經(jīng)循環(huán)摩擦測試后，PEG/MXene@MOF膜表面僅產(chǎn)生輕微劃痕，磨損率較純MXene膜降低約60%。MOF的納米顆粒支撐和PEG的潤滑效應(yīng)共同抑制了層間滑動，提升了耐磨性。
彎曲測試（圖12d）
膜材料在反復彎曲（>1000次）后仍保持導電性和結(jié)構(gòu)完整性，證明其柔性設(shè)計適用于動態(tài)變形場景。MXene的固有柔韌性與MOF的剛性骨架形成互補，而PEG的增韌作用進一步延緩了裂紋擴展。
綜合機理：PEG/MXene@MOF膜通過MOF插層調(diào)控層間距、PEG增強界面結(jié)合的動態(tài)氫鍵網(wǎng)絡(luò)，以及MXene的高機械強度，實現(xiàn)了機械穩(wěn)定性與功能性的平衡35。其性能優(yōu)勢對柔性儲能器件和動態(tài)廢水處理膜的應(yīng)用具有重要意義。
圖13.PEG/MXene@MOF膜在（a）化學腐蝕和（b）機械磨損后的分離性能。（c） 與相關(guān)先進層狀油/水分離膜的對比圖。
1. 化學腐蝕后的分離性能（圖13a）
PEG/MXene@MOF膜在強酸/強堿環(huán)境中仍保持高分離效率（>98%），主要得益于MOF的剛性框架對MXene層間結(jié)構(gòu)的保護作用。MOF納米顆粒通過氫鍵網(wǎng)絡(luò)與MXene片層緊密結(jié)合，有效阻隔腐蝕性介質(zhì)對MXene基體的侵蝕。
PEG的柔性鏈段在此過程中形成動態(tài)保護層，通過可逆的物理交聯(lián)緩沖化學腐蝕對材料本體的破壞，維持膜的完整性。
2. 機械磨損后的分離性能（圖13b）
經(jīng)循環(huán)機械磨損后，復合膜的滲透通量僅下降約12%，而傳統(tǒng)MXene膜下降幅度超過45%。MXene的高機械強度與MOF插層結(jié)構(gòu)共同抑制了磨損引起的層間滑移，同時PEG的潤滑效應(yīng)減少了摩擦界面的能量耗散。磨損表面的SEM分析顯示，MOF顆粒作為“微型緩沖墊”均勻分布于MXene層間，通過應(yīng)力分散機制緩解了局部磨損裂紋的擴展。
3. 與先進層狀膜的對比（圖13c）
分離效率：PEG/MXene@MOF膜對乳化油的截留率（99.2%）顯著高于氧化石墨烯膜（95.1%）和純MXene膜（96.8%），主要歸因于MOF調(diào)控的納米限域效應(yīng)與MXene表面電荷的協(xié)同作用。
穩(wěn)定性：在動態(tài)振動測試中，復合膜的分離性能衰減率（<5%）遠低于其他對比材料（10%-25%），體現(xiàn)了PEG動態(tài)氫鍵網(wǎng)絡(luò)對層間結(jié)構(gòu)自修復能力的提升。
環(huán)境耐受性：復合膜在高溫（80℃）與高鹽（10 wt% NaCl）條件下的通量恢復率超過90%，優(yōu)于同類材料的60-80%，源于MOF孔隙的離子篩分功能與MXene親水性的協(xié)同效應(yīng)。
綜合機理
PEG/MXene@MOF膜通過三重協(xié)同機制實現(xiàn)高性能：
結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性：MOF插層擴大MXene層間距（0.45→0.72 nm），同時通過氫鍵鎖定層間滑動；
動態(tài)適應(yīng)性：PEG的柔性鏈段在機械/化學刺激下重構(gòu)氫鍵網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)損傷自修復；
功能互補性：MXene的高導電性與MOF的多孔特性協(xié)同增強表面電荷密度與選擇性篩分能力。
該設(shè)計為極端環(huán)境下油水分離膜的開發(fā)提供了新策略，尤其適用于含腐蝕性介質(zhì)或動態(tài)機械載荷的工業(yè)廢水處理場景。
創(chuàng)新點總結(jié)
二維Nb?C?Tx薄片的合成：
通過液相剝離和化學刻蝕法成功合成了二維Nb?C?Tx薄片，為能量儲存領(lǐng)域提供了新的材料選擇。
優(yōu)異的電化學性能：
二維Nb?C?Tx薄片本身即表現(xiàn)出良好的電化學性能，如高比電容和循環(huán)穩(wěn)定性。
界面工程化提升性能：
通過與碳納米管（CNTs）和還原氧化石墨烯（rGO）的復合，實現(xiàn)了對Nb?C?Tx薄片的界面工程化，顯著提升了其電化學性能。復合電極在比電容、倍率性能和循環(huán)穩(wěn)定性方面均優(yōu)于單一Nb?C?Tx薄片電極。
高比電容和倍率性能：
Nb?C?Tx/CNTs復合電極在1 A g?¹的電流密度下比電容達到390 F g?¹，且在10 A g?¹的高電流密度下仍能保持286 F g?¹，顯示出優(yōu)異的倍率性能。
良好的循環(huán)穩(wěn)定性：
Nb?C?Tx/CNTs復合電極在10,000次充放電循環(huán)后電容保持率為84%，表現(xiàn)出良好的循環(huán)穩(wěn)定性，這對于實際應(yīng)用具有重要意義。https://doi.org/10.1016/j.memsci.2023.122247
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
