沙特Ihsanullah博士综述:MXenes在海水淡化中的研究现状和展望

Potential of MXenes in Water Desalination: Current Status and Perspectives

Ihsanullah Ihsanullah
Nano-Micro Lett.(2020)12:72
https://doi.org/10.1007/s40820-020-0411-9
本文亮点

1 综述了MXene和基于MXene的纳米材料在海水淡化中的应用。
2 总结了用于海水淡化的MXene合成的最新进展。阐述了MXenes的除盐机理和循环能力
3 总结了MXene材料在海水淡化中的挑战和未来前景
研究背景

MXenes是一种新的2D过渡金属碳化物,也属于氮化物和碳氮化物家族,于2011年由Drexel大学的研究人员中发现。近期大量研究表明MXene可以作用于水净化,包括电容性去离子,膜和吸附。这篇综述着重介绍了与MXenes和MXene基复合材料在海水淡化中的合成和应用以及未来挑战。

内容简介

MXenes是新型2D过渡金属碳化物,具有高表面积,高金属导电性,易功能化和亲水性等特点,使它们成为储能应用的最佳材料。最近在水处理和淡化中,MXenes也表现出了优秀的应用潜力。沙特阿拉伯法赫德国王石油与矿产大学的Ihsanullah Ihsanullah在这篇综述中总结了用于海水淡化的MXenes和MXene基复合材料合成的最新进展。
图文导读

I MXenes作为离子筛膜

MXene纳米片可用于独立式或支撑膜中分子和离子的尺寸截留和电荷选择性截留。原理是由于MXene的层间间距受到限制,因此可以消除水中的较小离子。通过MXene(如Ti3C2Tx)基膜的水通量很高,并且基于离子的电荷和水合半径,膜对各种离子均显示出极好的分离潜能。有研究通过真空辅助过滤(VAF)方法制备了Ti3C2Tx膜,并报道了选择性筛分阳离子的方法。膜的厚度在水透过膜中起关键作用。通过MXene膜的通量随厚度的增加而下降,直到在较高的厚度下达到稳态值为止。离子渗透率取决于阳离子的大小和电荷。MXene膜比氧化石墨烯对不同尺寸的带电金属阳离子和染料阳离子具有更好的选择性。

图1. Ti3C2Tx膜的合成。

图2. Ti3C2Tx膜的分离能力。

II MXenes的电容去离子(CDI)

CDI是一种节能的电化学过程,其中阴离子和阳离子基于它们的电荷进行分离,并分别沉积在带正电的阳极和带负电的阴极上。电极材料的选择在CDI工艺中至关重要,理想的电极必须具有较高的表面积,良好的导电性和较高的稳定性。由于其优异的电容特性,MXenes已成为用于CDI应用的新型电极材料。基于MXene的CDI电极同时具有出色的阳离子和阴离子吸附能力,这是由于它们具有高的电导率,亲水性和可调节的表面。Srimuk等人通过将Ti3C2浇铸到CDI电池的多孔隔板上,首次引入了基于MXene的CDI电极。MXene CDI电极在30个循环中表现出出色的性能,其盐吸附能力为13±2 mg/g(在5 mM NaCl盐水溶液中为1.2 V电池电压)。离子在电极上的吸附是通过离子插入而不是双层形成而发生的,如图3所示。

图3. 在电极材料表面通过非法拉第(静电)离子电吸附进行电化学水脱盐的概念。

III MXenes应用于海水淡化

MXene具有出色的光热转换效率,使其成为太阳能脱盐应用的理想选择。MXenes的光热水蒸发能力是这些2D材料的又一个节能特性。赵等人报道了疏水性MXene膜的合成和太阳能脱盐的潜力。如图4所示,通过HCl/LiF蚀刻从MAX相中获得分层的Ti3C2(d-Ti3C2),然后进行真空脱氧和超声处理。疏水膜是通过对d-Ti3C2进行三甲氧基表面改性而获得的。改性后获得的疏水MXene膜用于太阳能蒸发设备,该设备自浮在海水上。该膜实现71%的太阳蒸汽转化效率,1.31 kg·m2/h的太阳蒸发速率,以及在高盐度条件下200 h内的稳定性。四种主要离子(Ca2+,Mg2+,Mg2+和Na+)的排斥率超过99.5%,而对于有机染料和重金属,则达到了近100%的排斥率,如图5所示。由于长期使用后盐分阻滞性差,因此不适合长期太阳能脱盐应用。

图4. 疏水性d-Ti3C2Tx膜的制造过程示意图以及太阳能淡化装置。

图5. (a)太阳能脱盐前后四个初级离子的盐度。(b)有机和重金属离子排斥性能。

IV 全蒸发淡化

全蒸发脱盐是水扩散通过膜,然后蒸发成膜另一面的气相的组合。MXene/PAN复合材料和独立式MXene膜是通过将MXene悬浮液真空过滤而制得的,如图6所示。将一定量的MXene纳米片沉积在PAN基材上以制备MXene/PAN复合材料,同时通过类似的方法使用聚碳酸酯(PC)制备独立的MXene膜,然后在干燥后的基材上剥离出MXene。随着MXene纳米片的数量增加,MXene层的厚度也会增加,并且其颜色从浅绿色变为深绿色。这些膜具有全蒸发脱盐的巨大潜力,可以在95%的温度下排去99.5%的盐,并显示出85.4 L/(m2·h)的水通量。与文献中报道的其他膜相比,MXene膜还显示出了对海水的出色脱盐性能。全蒸发淡化的缺点之一是能源的大量使用,然而,随着可再生能源或废物源能源的利用,能源效率有望得到显着提高。

图6.用于全蒸发淡化的MXene膜。
作者简介

Ihsanullah Ihsanullah

沙特阿拉伯法赫德国王石油与矿产大学

化学工程系

Research Engineer-III

主要研究领域

水处理,膜工艺,脱盐,环境工程,用于水修复的纳米材料。
Email: ihsankhan@kfupm.edu.sa
撰稿:《纳微快报》编辑部

编辑:《纳微快报》编辑部

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