Page 65 - 《精细化工》2021年第12期

第 12 期 侯建华，等: MXenes 及其复合材料在环境领域中的应用 ·2427·

过离子插层形成的。传统的 CDI 电池采用具有较大 68 mg/g 的超高脱盐能力，具有较低能耗（约消耗
孔容积的多孔碳电极，通过离子电吸附实现脱盐。 0.24 W·h/g 的 NaCl），能量回收率约为 5.44%。此外，
相比之下，MXene 通过离子插层，在其二维纳米层 AGARTAN 等 [47] 研究发现，MXene 电极的脱盐性能
结构的薄片间储存电荷，这一特性使其可以同时插 还受运行条件的影响，如流量、半周期长度和放电
入阴离子和阳离子，在盐吸附领域表现出优异的性 电位等。且在较低的放电电位下，MXene 电极对盐
能。BAO 等 [45] 发现，气凝胶状的多孔 MXene 电极 的吸附率和吸附容量均增加 152%；半周期长度能使
材料具有出色的 CDI 性能，其离子吸附能力是其他 其对盐的吸附率降低 54%，吸附容量降低 32%。而且
碳基电极的 12 倍，而且具有良好的循环稳定性。 经过预处理的 MXene 电极由于其亲水性和高电化学
MA 等 [46] 发现刻蚀工艺会影响 MXene 电极的脱盐性 活性，比活性炭布电极表现出更好的性能。
能，使用 LiF/盐酸刻蚀方法制备了没有任何黏合剂 MXenes 及其复合材料用于 CDI 脱盐领域具有
的独立 Ti 3 C 2 T x MXene 电极，这种刻蚀方法导致 低电池电压运行、能源效率高、能耗低等优点，是
Ti 3 C 2 T x 层间间距增加，降低了端基中—F 的含量， 一种对环境友好的、具有应用潜力的良性海水淡化
有利于离子传输，使脱盐能力增强。该电极在 技术，MXenes 及其复合材料在 CDI 脱盐领域的巨
20 mA/g 的电流密度和 1.2 V 的电压条件下实现了 大潜能值得继续研究。

图 5 MXene 电极材料表面 CDI 脱盐的过程 [44]

Fig. 5 Process of capacitive deionization on the surface of MXene electrode materials [44]

3.1.3 在太阳能脱盐中的应用 理不仅能很好地解决易溶于水的重金属化合物难以
MXenes 因为有良好的光热转换效率，在太阳能 从水体中分离这一难点，还具有操作简单、对环境
海水淡化方面也拥有巨大潜力 [48] 。ZHAO 等 [49] 研究 影响小等优点 [51] 。MXenes 作为一种类石墨烯二维
了疏水 MXene 膜的合成及其太阳能脱盐潜力，合成 材料，其优越的化学稳定性、选择性、亲水性使其
的疏水 MXene 膜的太阳能蒸汽转化效率可达 71%， 能够成为潜力巨大的、高效的吸附剂。
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2+
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对于 Ca 、Mg 、K 及 Na 的截留率均超过 99.5%， PENG 等 [52] 发现，Ti 3 C 2 T x 用碱插层处理后得到
同时对有机染料和重金属的截留率接近 100%。不过 的〔Ti 3 C 2 (OH/ONa) x F 2–x 〕对 Pb(Ⅱ)有特定的吸附作
该 MXene 膜不适合长期的太阳能脱盐应用，因为长 用，吸附能力高达 140 mg/g，吸附容量大，吸附反
+
时间的太阳能脱盐会使膜堵塞。 应快速可逆。Na 的成功插入使其在 MXene 层之间
3.1.4 MXenes 及其复合材料用于蒸发脱盐 进行空间扩展，从而增加了可以与 Pb(Ⅱ)反应的区
MXenes 及其复合材料也可以应用于蒸发脱盐 域的扩散速率。该钛基 MXene 复合材料对 Pb(Ⅱ)
领域。蒸发脱盐的基本原理是水通过膜扩散，然后 的吸附作用使更多研究员注意到 MXenes 及其复合
再蒸发到膜另外一边的气相，盐离子在这个过程中 材料在重金属处理方面的巨大潜能。随后，通过进
被截留。当使用堆积在商用聚丙烯腈滤膜上的 一步研究，YING 等 [53] 发现 Ti 3 C 2 T x 对于 Cr(Ⅵ)也有
MXenes 材料进行蒸发脱盐操作时，这种具有极大的 较好的吸附作用，吸附原理如图 6 所示。用质量分
渗透汽化脱盐潜力的膜可以过滤掉水中 99.5%的盐 数 10% 氢氟酸溶液分层的 Ti 3 C 2 T x 纳米片表现出更
分 [50] 。不过蒸发脱盐需要消耗大量的能源，商用价 好的 Cr(Ⅵ)去除性能，吸附容量约为 250 mg/g，并
值较低。 且处理水中 Cr(Ⅵ)的残留质量浓度小于 5 μg/L，远
3.2 MXenes 及其复合材料在去除重金属领域中的应 低于世界卫生组织推荐的饮用水标准中 Cr(Ⅵ)的质
用 量浓度（0.05 μg/L）。此外，这种二维 Ti 3 C 2 T x 纳米
对于水中的重金属污染，常见的处理方法有： 片不仅对 Cr(Ⅵ)有着较高的吸附量，还能将高毒性
混凝、催化还原、离子交换、吸附处理等。近年来， 的 Cr(Ⅵ)还原为毒性较低的 Cr(Ⅲ)，进一步减轻了
吸附处理的研究一直受到研究人员的重视，吸附处 环境污染。这扩展了二维 Ti 3 C 2 T x 纳米片在水处理中