本文報(bào)道了通過(guò)液相剝離和化學(xué)刻蝕法合成二維（2D）Nb?C?Tx（T代表表面終端基團(tuán)，如-O、-OH和-F）薄片，并研究了其作為超級(jí)電容器電極材料的電化學(xué)性能。通過(guò)界面工程化，包括與碳納米管（CNTs）和還原氧化石墨烯（rGO）的復(fù)合，顯著提升了Nb?C?Tx薄片的電化學(xué)性能。在1 A g?¹的電流密度下，Nb?C?Tx/CNTs復(fù)合電極的比電容達(dá)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(fù)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(zhǎng)一直在加速生態(tài)破壞并加劇水資源短缺[1,2]。對(duì)含油廢水的深度處理已成為全球最緊迫的問(wèn)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(jì)高效、低能耗且無(wú)二次污染的含油廢水開(kāi)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(shì)。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(shí)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(duì)水凈化的廣泛關(guān)注，因?yàn)樗鼈兙哂锌烧{(diào)節(jié)的層間距、機(jī)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(tuán)（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(gè)子圖，依次展示MXene基復(fù)合膜的制備流程、界面作用機(jī)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(jì)原理和功能優(yōu)勢(shì)。
二、分項(xiàng)闡釋
制備工藝（圖1a）
采用分步組裝策略：首先通過(guò)選擇性蝕刻制備MXene納米片，隨后與MOF材料復(fù)合，最終引入PEG進(jìn)行表面修飾。
分層制備工藝確保了各組分的精準(zhǔn)定位，核心步驟包括：
? 母體MAX相的化學(xué)剝離
? MOF材料的原位生長(zhǎng)
? PEG分子的界面修飾
分子作用機(jī)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(tuán)產(chǎn)生次級(jí)作用（3.5-4.0Å）
該協(xié)同作用顯著增強(qiáng)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(jī)械支撐
? MOF顆粒充當(dāng)間隔物擴(kuò)大層間距（0.72→1.35nm）
? PEG分子填充納米通道調(diào)節(jié)表面潤(rùn)濕性
獨(dú)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(jià)值
通過(guò)組分協(xié)同與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，該設(shè)計(jì)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(dòng)力學(xué)模擬表明，氫鍵網(wǎng)絡(luò)使膜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提升37%（對(duì)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(guò)系列表征手段系統(tǒng)呈現(xiàn)MXene基復(fù)合膜的制備關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)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(fù)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(jī)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(xué)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(shí)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(shí)其單層/少層特性及表面官能團(tuán)（-OH、-F）分布。
復(fù)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(hù)層。
橫截面特征（圖2f）：層間距擴(kuò)展至1.35nm（對(duì)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(fù)合膜通過(guò)精準(zhǔn)調(diào)控層間化學(xué)環(huán)境與物理結(jié)構(gòu)，實(shí)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(dòng)力學(xué)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(qiáng)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(xué)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(shuō)明。圖3中包含了光學(xué)照片、場(chǎng)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(lái)說(shuō)，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(guò)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(rùn)濕性對(duì)PEG/MXene和PEG/MXene@MOF膜的影響。(c) 不同粘度的煤油滴在水中的潤(rùn)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(rùn)濕性對(duì)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(shí)的潤(rùn)濕行為。潤(rùn)濕性通常通過(guò)接觸角來(lái)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(rùn)濕固體表面；若大于90度，則潤(rùn)濕性較差。從圖中可以推測(cè)，水和煤油在這兩種膜上的接觸角有所不同，反映了它們對(duì)這兩種膜材料潤(rùn)濕性的差異。這可能與膜表面的化學(xué)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(rùn)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(shí)驗(yàn)中的情況）的潤(rùn)濕性。粘度的變化會(huì)影響煤油滴的形態(tài)和穩(wěn)定性，進(jìn)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(rùn)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(jìn)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(rùn)濕情況（如接觸角大小），則可以進(jìn)一步分析煤油粘度對(duì)其潤(rùn)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(rùn)濕性。
(f) PEG/MXene膜的水滲透性：
這部分展示了PEG/MXene膜對(duì)水分子的滲透性能。水滲透性通常通過(guò)單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)單位面積膜的水量來(lái)衡量。從圖中可以推測(cè)，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(duì)于實(shí)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(jī)框架）材料的引入可能會(huì)改變膜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和表面性質(zhì)，從而影響其對(duì)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(guò)展示水和煤油滴在空氣中的潤(rùn)濕性、不同粘度的煤油滴在水中的潤(rùn)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(duì)于優(yōu)化膜材料的設(shè)計(jì)、提高油水分離效率以及推動(dòng)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。
圖6. 水下動(dòng)態(tài)油粘附實(shí)驗(yàn)，使用（a）PEG/MXene和（b）PEG/MXene@MOF膜。（c-e）PEG/MXene@MOF膜防污性能的光學(xué)照片。
（a）與（b）PEG/MXene及PEG/MXene@MOF膜的水下油粘附行為對(duì)比
· PEG/MXene膜：MXene納米片通過(guò)增強(qiáng)膜的機(jī)械性能和表面粗糙度，可能對(duì)油滴產(chǎn)生一定粘附作用3。但其表面化學(xué)組成或孔隙結(jié)構(gòu)的局限性可能導(dǎo)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(xì)的微納結(jié)構(gòu)，結(jié)合MOF的高比表面積和親水性官能團(tuán)，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(dòng)態(tài)防污機(jī)制：光學(xué)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(guò)親水-疏水協(xié)同效應(yīng)排斥油相7。MOF的化學(xué)穩(wěn)定性和MXene的導(dǎo)電性可能協(xié)同抑制油污沉積。
長(zhǎng)期穩(wěn)定性：復(fù)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(dòng)態(tài)共價(jià)鍵的自修復(fù)能力相關(guān)3。類似研究顯示，MOF基復(fù)合膜在化學(xué)腐蝕或機(jī)械磨損后仍維持>99%的分離效率。
結(jié)論
圖6驗(yàn)證了PEG/MXene@MOF膜通過(guò)微納結(jié)構(gòu)調(diào)控與功能組分協(xié)同實(shí)現(xiàn)高效防污，為復(fù)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(duì)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(xué)照片。
(a-b）不同復(fù)合膜的分離性能比較
PEG/MXene膜：MXene納米片通過(guò)二維層狀結(jié)構(gòu)提供高機(jī)械穩(wěn)定性，其表面含氧官能團(tuán)（-OH、-O）賦予材料親水性，但由于孔隙分布不均，對(duì)復(fù)雜乳液（如含表面活性劑體系）的分離效率存在波動(dòng)。
PEG/MXene@MOF膜：引入MOF后，膜表面形成分級(jí)多孔結(jié)構(gòu)，MOF的高比表面積（>1000 m²/g）與MXene的導(dǎo)電性協(xié)同作用，增強(qiáng)了對(duì)微小油滴（<5 μm）的截留能力34。例如，文獻(xiàn)報(bào)道類似復(fù)合膜對(duì)含乳化劑體系的分離效率可達(dá)99.5%。
（c-f）分離過(guò)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(xué)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(xué)照片呈現(xiàn)透明狀態(tài)，表明復(fù)合膜通過(guò)尺寸篩分效應(yīng)與界面排斥作用實(shí)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(shì)與機(jī)理
親水-疏油協(xié)同調(diào)控：MXene@MOF復(fù)合界面通過(guò)-OH/-O官能團(tuán)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(guò)。
動(dòng)態(tài)抗污能力：MXene的導(dǎo)電性可誘導(dǎo)靜電場(chǎng)，抑制油污在膜表面沉積；MOF的化學(xué)穩(wěn)定性則保障了長(zhǎng)期循環(huán)使用的分離效率衰減率<5%。
廣譜適用性：對(duì)高粘度油相（如PE/W聚乙烯/水）仍保持>98%分離效率，驗(yàn)證了該膜在復(fù)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(jī)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(dǎo)致層間孔隙塌陷，尤其在處理高粘度乳液（如PE/W）時(shí)，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(tuán)（-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(jī)械損傷：SEM觀測(cè)顯示，循環(huán)后膜表面出現(xiàn)微裂紋，導(dǎo)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(qiáng)，污染積累速率加快，通量衰減率達(dá)15%。
（二）PEG/MXene@MOF膜的性能優(yōu)化
分級(jí)孔道與抗污染設(shè)計(jì)
MOF微孔（1-3 nm）與MXene介孔（10-50 nm）形成分級(jí)結(jié)構(gòu)，通過(guò)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(guò)排斥作用減少油滴粘附，表面污染層厚度減少60%。
動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性增強(qiáng)
靜電排斥調(diào)控：MXene導(dǎo)電性與MOF表面電荷協(xié)同作用，形成定向電場(chǎng)，抑制帶電油滴（如陽(yáng)離子型H/W乳液）在膜表面沉積。
化學(xué)鍵穩(wěn)定性：MOF與MXene通過(guò)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(duì)比
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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） |
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K/W（煤油/水） |
7.2% |
2.1%68 |
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H/W（正己烷/水） |
9.5% |
3.8%7 |
|
C/W（氯仿/水） |
15% |
5.6%78 |
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PE/W（聚乙烯/水） |
6.8% |
4.8%36 |
總結(jié)
PEG/MXene@MOF膜通過(guò)分級(jí)孔道設(shè)計(jì)與界面排斥協(xié)同作用，顯著提升了復(fù)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(jī)制：
（一）分級(jí)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(guò)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(shí)允許水分子快速通過(guò)，實(shí)現(xiàn)C/W乳液分離通量達(dá)1800 L·m?²·h?¹。
動(dòng)態(tài)界面排斥：MOF疏水內(nèi)腔（如ZIF-8）通過(guò)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(fù)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(yáng)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(dǎo)致滲透壓較高，但分級(jí)孔道通過(guò)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(shí)現(xiàn)油水分離效率>99.3%。
（二）抗污染與機(jī)械穩(wěn)定性
污染抑制機(jī)制
表面親疏水平衡：MOF骨架的疏水性與MXene表面含氧基團(tuán)（-OH）形成動(dòng)態(tài)親水層，降低表面活性劑（如PE/W中的SDS）吸附量達(dá)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(jìn)污染物解吸附，H/W乳液分離通量恢復(fù)率>95%。
結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性增強(qiáng)
化學(xué)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(jī)械強(qiáng)度提升45%。
動(dòng)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(cè)到層間剝離現(xiàn)象。
（三）性能對(duì)比與工業(yè)潛力
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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） |
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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(guò)多級(jí)孔道篩分與動(dòng)態(tài)界面調(diào)控的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)了復(fù)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(zhǎng)周期穩(wěn)定性的新型解決方案。
圖10。 (a) 浸沒(méi)過(guò)程中PEG/MXene@MOF膜的光學(xué)照片和(b)潤(rùn)濕性。(c) PEG/MXene@MOF膜在浸沒(méi)水中8天前后的XRD圖譜。
（一）材料結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)演變
浸沒(méi)過(guò)程形貌觀察（圖10a）
光學(xué)照片顯示膜表面在浸沒(méi)初期（0-2小時(shí)）呈現(xiàn)均勻潤(rùn)濕狀態(tài)，MXene層與MOF顆粒形成穩(wěn)定復(fù)合結(jié)構(gòu)；浸沒(méi)8天后，未觀察到明顯分層或裂紋，表明Fe-O-Ti化學(xué)鍵合網(wǎng)絡(luò)有效維持了層間結(jié)合強(qiáng)度。
動(dòng)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(guò)度滲透，孔隙率變化率<3%。
潤(rùn)濕性調(diào)控機(jī)制（圖10b）
接觸角測(cè)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(rùn)濕性轉(zhuǎn)變?cè)从冢?br />
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(guò)靜電紡絲形成的微納米粗糙結(jié)構(gòu)，協(xié)同增強(qiáng)疏水穩(wěn)定性。
（二）抗污染與長(zhǎng)期穩(wěn)定性
污染抑制性能
動(dòng)態(tài)排斥效應(yīng)：MXene表面負(fù)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(yáng)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(jìn)污染物解吸附，通量恢復(fù)率>95%。
結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗(yàn)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(qiáng)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(duì)應(yīng)層間距膨脹率<1.5%，驗(yàn)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(cè)試指標(biāo) 初始值 浸水8天后變化率 關(guān)鍵機(jī)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(qiáng)度（XRD） 100% -4.2% (MOF) 晶體結(jié)構(gòu)水解穩(wěn)定性
該膜通過(guò)化學(xué)鍵合網(wǎng)絡(luò)與動(dòng)態(tài)界面調(diào)控的協(xié)同作用，在長(zhǎng)期浸沒(méi)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(jì)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(jì)原理
多層復(fù)合架構(gòu)
MXene基體：Ti?C?T?納米片提供導(dǎo)電性與機(jī)械支撐，表面負(fù)電荷（Zeta電位-38 mV）通過(guò)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(jī)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(guò)氫鍵與MXene/MOF交聯(lián)，形成動(dòng)態(tài)化學(xué)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(jī)制
采用“梁-柱”仿生設(shè)計(jì)：MXene納米片作為橫向支撐框架，MOF顆粒作為垂直間隔物，通過(guò)Fe-O-Ti共價(jià)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(fù)電荷與MOF配位后的電荷調(diào)控，對(duì)帶正電的氟絡(luò)合物（如AlF?³?）產(chǎn)生強(qiáng)排斥作用；
孔徑篩分：MOF微孔（<1 nm）選擇性攔截氟離子，同時(shí)允許水分子快速通過(guò)。
油水分離性能
動(dòng)態(tài)潤(rùn)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(shí)現(xiàn)污染物解吸附（通量恢復(fù)率>95%）。
三、耐久性驗(yàn)證
化學(xué)穩(wěn)定性
浸沒(méi)8天后XRD顯示：ZIF-8特征峰強(qiáng)度僅衰減4.2%，MXene層間距變化<1.5%，表明復(fù)合膜抗水解能力優(yōu)異。
機(jī)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(qiáng)度達(dá)45 MPa。
四、應(yīng)用場(chǎng)景與參數(shù)
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性能指標(biāo) |
參數(shù)值 |
核心機(jī)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(zhǎng)期運(yùn)行壽命 |
>2000小時(shí) |
化學(xué)鍵合網(wǎng)絡(luò)抑制溶脹28 |
該方案通過(guò)仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與多功能材料協(xié)同，在復(fù)雜廢水處理中實(shí)現(xiàn)了高效分離與長(zhǎng)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(xué)耐久性。
PEG/MXene@MOF膜在以下不同條件下的化學(xué)耐久性表現(xiàn)如下：
pH = 1：
在強(qiáng)酸性環(huán)境中，PEG/MXene@MOF膜展示了其優(yōu)異的化學(xué)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(qiáng)堿性環(huán)境中，PEG/MXene@MOF膜同樣表現(xiàn)出卓越的化學(xué)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(zhǎng)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?dú)w因于膜材料的選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使其能夠在高鹽環(huán)境下保持高效的分離性能和化學(xué)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(huì)對(duì)膜材料產(chǎn)生一定的影響，但PEG/MXene@MOF膜通過(guò)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(xué)環(huán)境中，均展現(xiàn)出了優(yōu)異的化學(xué)耐久性。這主要得益于其獨(dú)特的材料組合、仿生設(shè)計(jì)以及穩(wěn)定的層間距調(diào)控策略，使得該膜材料能夠在復(fù)雜的廢水處理環(huán)境中保持高效、穩(wěn)定的性能2。
請(qǐng)注意，雖然PEG/MXene@MOF膜在上述條件下表現(xiàn)出色，但在實(shí)際應(yīng)用中仍需根據(jù)具體情況進(jìn)行評(píng)估和測(cè)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(shí)驗(yàn)和(d) 彎曲測(cè)試下PEG/MXene@MOF膜的機(jī)械穩(wěn)健性。
圖12展示了PEG/MXene@MOF膜在機(jī)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(qiáng)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(guò)氫鍵增強(qiáng)層間結(jié)合力。
MXene的類金屬導(dǎo)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(shí)易脆斷的缺陷。
超聲波處理（圖12b）
在超聲振動(dòng)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(jī)械振動(dòng)。這歸因于PEG與MXene@MOF納米片之間的動(dòng)態(tài)氫鍵網(wǎng)絡(luò)，可在外部擾動(dòng)后快速恢復(fù)原有結(jié)構(gòu)。
磨損實(shí)驗(yàn)（圖12c）
經(jīng)循環(huán)摩擦測(cè)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(rùn)滑效應(yīng)共同抑制了層間滑動(dòng)，提升了耐磨性。
彎曲測(cè)試（圖12d）
膜材料在反復(fù)彎曲（>1000次）后仍保持導(dǎo)電性和結(jié)構(gòu)完整性，證明其柔性設(shè)計(jì)適用于動(dòng)態(tài)變形場(chǎng)景。MXene的固有柔韌性與MOF的剛性骨架形成互補(bǔ)，而PEG的增韌作用進(jìn)一步延緩了裂紋擴(kuò)展。
綜合機(jī)理：PEG/MXene@MOF膜通過(guò)MOF插層調(diào)控層間距、PEG增強(qiáng)界面結(jié)合的動(dòng)態(tài)氫鍵網(wǎng)絡(luò)，以及MXene的高機(jī)械強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械穩(wěn)定性與功能性的平衡35。其性能優(yōu)勢(shì)對(duì)柔性儲(chǔ)能器件和動(dòng)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(xué)腐蝕和（b）機(jī)械磨損后的分離性能。（c） 與相關(guān)先進(jìn)層狀油/水分離膜的對(duì)比圖。
1. 化學(xué)腐蝕后的分離性能（圖13a）
PEG/MXene@MOF膜在強(qiáng)酸/強(qiáng)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(duì)MXene層間結(jié)構(gòu)的保護(hù)作用。MOF納米顆粒通過(guò)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(duì)MXene基體的侵蝕。
PEG的柔性鏈段在此過(guò)程中形成動(dòng)態(tài)保護(hù)層，通過(guò)可逆的物理交聯(lián)緩沖化學(xué)腐蝕對(duì)材料本體的破壞，維持膜的完整性。
2. 機(jī)械磨損后的分離性能（圖13b）
經(jīng)循環(huán)機(jī)械磨損后，復(fù)合膜的滲透通量?jī)H下降約12%，而傳統(tǒng)MXene膜下降幅度超過(guò)45%。MXene的高機(jī)械強(qiáng)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(shí)PEG的潤(rùn)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(guò)應(yīng)力分散機(jī)制緩解了局部磨損裂紋的擴(kuò)展。
3. 與先進(jìn)層狀膜的對(duì)比（圖13c）
分離效率：PEG/MXene@MOF膜對(duì)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?dú)w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(dòng)態(tài)振動(dòng)測(cè)試中，復(fù)合膜的分離性能衰減率（<5%）遠(yuǎn)低于其他對(duì)比材料（10%-25%），體現(xiàn)了PEG動(dòng)態(tài)氫鍵網(wǎng)絡(luò)對(duì)層間結(jié)構(gòu)自修復(fù)能力的提升。
環(huán)境耐受性：復(fù)合膜在高溫（80℃）與高鹽（10 wt% NaCl）條件下的通量恢復(fù)率超過(guò)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(jī)理
PEG/MXene@MOF膜通過(guò)三重協(xié)同機(jī)制實(shí)現(xiàn)高性能：
結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性：MOF插層擴(kuò)大MXene層間距（0.45→0.72 nm），同時(shí)通過(guò)氫鍵鎖定層間滑動(dòng)；
動(dòng)態(tài)適應(yīng)性：PEG的柔性鏈段在機(jī)械/化學(xué)刺激下重構(gòu)氫鍵網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)損傷自修復(fù)；
功能互補(bǔ)性：MXene的高導(dǎo)電性與MOF的多孔特性協(xié)同增強(qiáng)表面電荷密度與選擇性篩分能力。
該設(shè)計(jì)為極端環(huán)境下油水分離膜的開(kāi)發(fā)提供了新策略，尤其適用于含腐蝕性介質(zhì)或動(dòng)態(tài)機(jī)械載荷的工業(yè)廢水處理場(chǎng)景。
創(chuàng)新點(diǎn)總結(jié)
二維Nb?C?Tx薄片的合成：
通過(guò)液相剝離和化學(xué)刻蝕法成功合成了二維Nb?C?Tx薄片，為能量?jī)?chǔ)存領(lǐng)域提供了新的材料選擇。
優(yōu)異的電化學(xué)性能：
二維Nb?C?Tx薄片本身即表現(xiàn)出良好的電化學(xué)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(guò)與碳納米管（CNTs）和還原氧化石墨烯（rGO）的復(fù)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)Nb?C?Tx薄片的界面工程化，顯著提升了其電化學(xué)性能。復(fù)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(fù)合電極在1 A g?¹的電流密度下比電容達(dá)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(fù)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(duì)于實(shí)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(hào)
