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  由于氣候變化、淡水資源污染和人口增長導致水資源短缺是全球性的問題。膜分離技術因其高效率、低能耗、無二次污染等成為解決這一危機具有競爭力的方案。由超薄二維（2D）片層構筑的2D層狀分離膜，利用片層形成的2D層間通道實現傳質運輸，在海水淡化、水凈化、離子篩分等領域有廣泛應用。近年來，過渡金屬碳化物和氮化物（MXenes）作為新型的2D片層材料，因其誘人的導電性和表面化學性質，具有良好的發展前景。然而，MXene膜在水環境中極易溶脹，分離性能受到嚴重限制。因此提高MXene膜在水溶液中的穩定性是目前面臨的主要挑戰。

  建筑房屋時，通常構建梁柱結構以改善其地震阻力容量。受此啟發，長安大學顏錄科教授、寧波材料所陳濤研究員與清華大學王訓教授合作，建立一種具有穩定層間距的Ti₃C₂T_x（MXene）基膜用于水凈化。具體來說，高長徑比Ti₃C₂T_x納米片作為“橫梁”部分，氮化硼（BN）納米片作為構建集成膜的每一塊“磚”。Ti₃C₂T_x納米片通過共價交聯和超分子氫鍵與BN納米片形成穩定的相互作用限制MXene膜的溶脹（圖1a-1b）。此外，聚多巴胺（PDA）和聚乙烯亞胺（PEI）通過共價交聯作用作為“立柱”支撐集成膜，賦予MXene / BN @ PDA / PEI膜14.7±0.13 ?的穩定層間距（圖1c）。令人驚喜地是，MXene / BN @ PDA / PEI膜經600h溶脹測試后仍能保持其初始層間距，表現出優異的抗溶脹性（圖1d）。此外，親水性官能團和豐富的電荷性質賦予復合膜具有出色的抗污能力和環境穩定性。這項工作引入了一種簡單的途徑構建MXene基膜，具有更穩定的層間通道來滿足水凈化要求。

圖1 MXene/BN@PDA/PEI膜的制備示意圖：(a)具有梁-柱結構的房子，(b) Ti₃C₂T_x （MXene）納米片制備，(c) MXene納米片與BN納米片組裝成2D/2D架構，(d) PDA和PEI通過共價交聯反應承擔MXene/BN@PDA/PEI復合膜“立柱”部分的作用

  通過XRD研究MXene膜的抗溶脹性能。對于原始MXene膜，（002）峰位于6.7975°附近，根據Brag方程計算層間距為 13.05 ± 0.04 ?（圖2a）。由于溶脹特性，溶脹實驗后原始MXene膜的層間距增加到 16.44±0.07 ?。對于MXene/BN膜，其層間距從 14.11±0.08 ?增加到16.09±0.17 ?，表明相鄰Ti₃C₂T_x納米片導致的溶脹被輕微抑制。與此相反的是， MXene/BN@PDA/PEI 膜在連續浸泡600h后仍剛性地穩定在14.7 ± 0.13 ?，且表現出穩定的層狀結構（圖2b-2d）。結果表明，MXene/BN@PDA/PEI膜具有狹窄的二維通道結構和優異的抗溶脹性能，這歸功于PDA和PEI的Shiff base/Michael addition反應。

  此外，MXene/BN@PDA/PEI膜即使在45次分離循環后仍顯示出穩定的分離穩定性與層間距穩定性（圖3a-3b）。尤為重要的是，MXene/BN@PDA/PEI 膜具有比大多數MXene基膜更窄的層間通道與更長的穩定時間（圖3c）。此外，對MXene/BN@PDA/PEI膜進行強酸、強堿溶液浸泡處理后，仍能保持其初始層間距，表現出良好的環境穩定性（圖3d）。

  該工作以“Column-to-Beam Structure House Inspired MXene-based Integrated Membrane with Stable Interlayer Spacing for Water Purification”為題發表在《Advanced Functional Materials》上。長安大學研究生張艷梅為第一作者，長安大學顏錄科教授、駱春佳博士，清華大學王訓教授和寧波材料所谷金翠博士為共同通訊作者。該研究工作得到國家自然科學基金、陜西省重點研發計劃、陜西省自然科學基礎研究計劃與長安大學中央高校項目等的支持。

團隊簡介

長安大學綠塑創新團隊是為實現“高分子綠色再生與循環利用”的夢想而成立，旨在推動綠色高分子材料開發、廢塑料綠色再生與高值化利用等。團隊負責人為顏錄科教授，并擁有多位副教授與講師以及博士后、研究生共20余人。團隊常年招收材料、化工相關專業的博士后、博士研究生與碩士研究生，待遇執行長安大學相關標準，熱忱歡迎有志之士加盟。

團隊負責人簡介

顏錄科博士，長安大學材料學院高分子材料與工程系教授，博士生導師。主要研發方向為交通功能材料，特種工程塑料，聚合物基復合材料，綠色與功能高分子材料，廢塑料綠色再生與高值化利用。主持和參與包括國家自然科學基金、陜西省自然科學基金、教育部新世紀優秀人才支持計劃以及冬奧會重大工程項目等多項研究項目，并從事過多項工業界合作項目。部分研究成果發表在Advanced Functional Materials、Small、Journal of Materials Chemistry A、Chemical Engineering Journal、Journal of Membrane Science、Journal of Cleaner Production、Journal of Hazardous Materials等國際主流刊物上，申請專利20余項、授權5項、成功轉化2項。先后榮獲河南省交通運輸科學技術獎二等獎1項、陜西省國防科學技術進步三等獎2項和西安市科學技術三等獎1項。

聯系方式：yanlk_79@hotmail.com 或 lkyan@chd.edu.cn