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  由于氣候變化、淡水資源污染和人口增長(zhǎng)導(dǎo)致水資源短缺是全球性的問(wèn)題。膜分離技術(shù)因其高效率、低能耗、無(wú)二次污染等成為解決這一危機(jī)具有競(jìng)爭(zhēng)力的方案。由超薄二維（2D）片層構(gòu)筑的2D層狀分離膜，利用片層形成的2D層間通道實(shí)現(xiàn)傳質(zhì)運(yùn)輸，在海水淡化、水凈化、離子篩分等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，過(guò)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(dǎo)電性和表面化學(xué)性質(zhì)，具有良好的發(fā)展前景。然而，MXene膜在水環(huán)境中極易溶脹，分離性能受到嚴(yán)重限制。因此提高M(jìn)Xene膜在水溶液中的穩(wěn)定性是目前面臨的主要挑戰(zhàn)。

  建筑房屋時(shí)，通常構(gòu)建梁柱結(jié)構(gòu)以改善其地震阻力容量。受此啟發(fā)，長(zhǎng)安大學(xué)顏錄科教授、寧波材料所陳濤研究員與清華大學(xué)王訓(xùn)教授合作，建立一種具有穩(wěn)定層間距的Ti₃C₂T_x（MXene）基膜用于水凈化。具體來(lái)說(shuō)，高長(zhǎng)徑比Ti₃C₂T_x納米片作為“橫梁”部分，氮化硼（BN）納米片作為構(gòu)建集成膜的每一塊“磚”。Ti₃C₂T_x納米片通過(guò)共價(jià)交聯(lián)和超分子氫鍵與BN納米片形成穩(wěn)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(guò)共價(jià)交聯(lián)作用作為“立柱”支撐集成膜，賦予MXene / BN @ PDA / PEI膜14.7±0.13 ?的穩(wěn)定層間距（圖1c）。令人驚喜地是，MXene / BN @ PDA / PEI膜經(jīng)600h溶脹測(cè)試后仍能保持其初始層間距，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗溶脹性（圖1d）。此外，親水性官能團(tuán)和豐富的電荷性質(zhì)賦予復(fù)合膜具有出色的抗污能力和環(huán)境穩(wěn)定性。這項(xiàng)工作引入了一種簡(jiǎn)單的途徑構(gòu)建MXene基膜，具有更穩(wěn)定的層間通道來(lái)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(jié)構(gòu)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(gòu)，(d) PDA和PEI通過(guò)共價(jià)交聯(lián)反應(yīng)承擔(dān)MXene/BN@PDA/PEI復(fù)合膜“立柱”部分的作用

  通過(guò)XRD研究MXene膜的抗溶脹性能。對(duì)于原始MXene膜，（002）峰位于6.7975°附近，根據(jù)Brag方程計(jì)算層間距為 13.05 ± 0.04 ?（圖2a）。由于溶脹特性，溶脹實(shí)驗(yàn)后原始MXene膜的層間距增加到 16.44±0.07 ?。對(duì)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(dǎo)致的溶脹被輕微抑制。與此相反的是， MXene/BN@PDA/PEI 膜在連續(xù)浸泡600h后仍剛性地穩(wěn)定在14.7 ± 0.13 ?，且表現(xiàn)出穩(wěn)定的層狀結(jié)構(gòu)（圖2b-2d）。結(jié)果表明，MXene/BN@PDA/PEI膜具有狹窄的二維通道結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的抗溶脹性能，這歸功于PDA和PEI的Shiff base/Michael addition反應(yīng)。

  此外，MXene/BN@PDA/PEI膜即使在45次分離循環(huán)后仍顯示出穩(wěn)定的分離穩(wěn)定性與層間距穩(wěn)定性（圖3a-3b）。尤為重要的是，MXene/BN@PDA/PEI 膜具有比大多數(shù)MXene基膜更窄的層間通道與更長(zhǎng)的穩(wěn)定時(shí)間（圖3c）。此外，對(duì)MXene/BN@PDA/PEI膜進(jìn)行強(qiáng)酸、強(qiáng)堿溶液浸泡處理后，仍能保持其初始層間距，表現(xiàn)出良好的環(huán)境穩(wěn)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(fā)表在《Advanced Functional Materials》上。長(zhǎng)安大學(xué)研究生張艷梅為第一作者，長(zhǎng)安大學(xué)顏錄科教授、駱春佳博士，清華大學(xué)王訓(xùn)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(guó)家自然科學(xué)基金、陜西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計(jì)劃與長(zhǎng)安大學(xué)中央高校項(xiàng)目等的支持。

團(tuán)隊(duì)簡(jiǎn)介

長(zhǎng)安大學(xué)綠塑創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)是為實(shí)現(xiàn)“高分子綠色再生與循環(huán)利用”的夢(mèng)想而成立，旨在推動(dòng)綠色高分子材料開(kāi)發(fā)、廢塑料綠色再生與高值化利用等。團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)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(tuán)隊(duì)常年招收材料、化工相關(guān)專業(yè)的博士后、博士研究生與碩士研究生，待遇執(zhí)行長(zhǎng)安大學(xué)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，熱忱歡迎有志之士加盟。

團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人簡(jiǎn)介

顏錄科博士，長(zhǎng)安大學(xué)材料學(xué)院高分子材料與工程系教授，博士生導(dǎo)師。主要研發(fā)方向?yàn)榻煌üδ懿牧�，特種工程塑料，聚合物基復(fù)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(guó)家自然科學(xué)基金、陜西省自然科學(xué)基金、教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃以及冬奧會(huì)重大工程項(xiàng)目等多項(xiàng)研究項(xiàng)目，并從事過(guò)多項(xiàng)工業(yè)界合作項(xiàng)目。部分研究成果發(fā)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(guó)際主流刊物上，申請(qǐng)專利20余項(xiàng)、授權(quán)5項(xiàng)、成功轉(zhuǎn)化2項(xiàng)。先后榮獲河南省交通運(yùn)輸科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、陜西省國(guó)防科學(xué)技術(shù)進(jìn)步三等獎(jiǎng)2項(xiàng)和西安市科學(xué)技術(shù)三等獎(jiǎng)1項(xiàng)。

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