综述：基于MXene的纳米通道膜用于选择性离子筛选：制备、性能及应用方面的进展

《Separation and Purification Technology》：MXene-based nanochannel membranes for selective ion sieving: advances in preparation, properties, and applications

MXenes基二维纳米通道膜在分离性能与结构调控方面的研究进展，系统总结了其制备方法、层间距调控、表面功能化策略及对离子筛分和水处理的应用潜力，揭示了材料性能与合成、结构设计的内在关联，并探讨了产业化挑战与未来方向。

　　

刘彦正|王克新|雷蕾|王进

陕西省膜分离技术研究所，西安建筑科技大学环境与市政工程学院膜分离研究所，中国西安市雁塔路13号，710000

摘要

作为一种新兴的二维（2D）材料体系，过渡金属碳化物和氮化物（MXenes）因其优异的亲水性、出色的光热转换能力和丰富的表面官能团而受到全球关注。它们在需要高选择性和超高渗透性的膜分离应用中展现出巨大潜力。本文系统总结了基于MXenes的二维纳米通道膜在制备方法、结构调控和表面功能化方面的关键突破。此外，还阐明了其分离选择性和结构稳定性的基本机制，揭示了合成策略、结构设计与性能优化之间的内在关联。随着合成和改性策略的不断创新，MXenes有望为下一代分离膜开辟新的前沿，以应对全球水和能源挑战。

引言

膜分离技术作为一种高效且节能的技术，在能源[1]、环境可持续性[2]和生物医学科学[3]等关键领域展现出巨大潜力。随着工业的发展，对膜分离的需求已从最初的微滤和超滤技术逐渐发展到更先进的技术，如纳滤、正向/反向渗透和离子交换膜。纳米通道膜作为一种新兴的膜类型，通过利用小分子和离子在形状、大小、电荷以及亲水性/疏水性等方面的差异，实现了不同组分的选择性分离，成为研究的热点。

在过去十年中，丰富的二维（2D）材料为纳米通道膜的开发提供了多种选择，极大地推动了其在多个领域的研究和应用。最初，由单层2D材料制成的分离膜凭借其原子级别的厚度最小化了质量传输阻力，从而实现了超高的渗透通量并表现出出色的分子分离性能[4],[5]。然而，制备大面积、具有高密度纳米级孔隙的纳米通道膜，以及开发适用于实际应用的原子级薄膜制备策略，仍然是一个重大挑战[6]。为了解决这些问题，研究逐渐聚焦于通过多层纳米片的平行有序堆叠形成的2D纳米通道膜[7]。这种2D纳米通道膜可以构建出高度有序的纳米流体通道，尺寸从埃级到纳米级不等，既保持了高分离选择性，又增强了机械稳定性，为实际应用带来了更大的潜力。

近年来，石墨烯、过渡金属硫属化合物（TMDs）、层状双氢氧化物（LDHs）和氮化硼（BN）等材料因其独特的物理化学性质而受到广泛关注，为2D纳米通道膜的开发提供了多种材料平台。作为新兴的2D材料体系，过渡金属碳化物/氮化物（MXenes）因其高亲水性、优异的光热转换性能和丰富的表面官能团而受到全球研究人员的广泛关注，并在结合高选择性和超高通量的膜分离应用中展现出巨大潜力[8]。

随着MXenes合成方法的不断优化和膜结构调控策略的创新，其在分离膜及相关领域的应用前景日益明朗。本文系统总结了基于MXenes的膜材料的主要制备方法、结构设计策略和性能调控机制。我们重点探讨了层间距调节、结构缺陷控制以及传输路径设计对分离性能的影响机制，并深入分析了表面性质如何影响分离能力。最后，本文指出了MXenes分离膜在大规模制备和工业应用中面临的核心挑战，并预测了该领域的未来研究方向。本文为高性能2D材料分离膜的设计和应用提供了理论见解和技术指导。

部分摘录

MXenes的基本结构和组成多样性

Naguib等人通过蚀刻工艺成功制备了第一种MXenes纳米片，起始材料为MAX相[9]。MAX相的化学式可以表示为M_n+1AX_n（其中n = 1, 2, 3）[10]，M代表过渡金属元素（如Ti、V、Cr、Zr等），A代表IIIA或IVA族元素（如Al、Si、Ga等），X是碳和/或氮。通过选择性蚀刻A原子层，可以调控MXenes的层间距结构。

层间距

离子筛分是实现精确离子分离的关键策略，但其实施受到大多数目标离子纳米级尺寸的限制。因此，构建具有可控尺寸、结构稳定性和高均匀性的纳米级传输通道是高效离子筛分的先决条件[97]。 2D MXenes材料结合了优异的机械性能和良好的环境稳定性，成为理想的构建材料

表面电荷

在实际应用中，离子筛分通常涉及复杂的多组分离子传输过程，不同价态和 hydration 尺寸的离子之间的竞争性迁移行为对分离选择性提出了更高要求。因此，构建能够精确调节界面化学性质的纳米通道结构对于提高离子筛分性能至关重要。基于MXenes的膜由于其丰富的表面官能团，提供了

结论与展望

随着2D纳米材料的不断发展，基于2D MXenes的纳米通道膜在水处理及相关领域展现出巨大潜力，这得益于它们出色的机械强度、表面亲水性和可调的层间距结构。这些膜的分层结构能够实现离子、水分子和小分子的高度选择性分离，在盐湖锂提取和废水处理等方面具有明显优势

未引用的参考文献

[55], [59], [62], [77], [86], [95], [96], [101], [102], [108], [113], [116], [121], [130], [131], [142], [146], [147]

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52470222、22476156）和陕西省杰出青年科学基金（项目编号：2025JC-JCQN-033）的支持。