二维MXene材料在油水分离领域的研究进展

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2022-0348

二维MXene材料在油水分离领域的研究进展

张立屹^,¹, 杨朝美¹, 曾广勇^,¹^,²

1.成都理工大学材料与化学化工学院, 四川成都 610059

2.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室, 四川成都 610059

Research progress of two-dimensional MXene materials in the field of oil-water separation

Liyi ZHANG^,¹, Zhaomei YANG¹, Guangyong ZENG^,¹^,²

1.College of Materials and Chemistry & Chemical Engineering，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China

2.State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China

收稿日期: 2023-02-13

基金资助:

四川省科技计划项目应用基础研究. 2021YJ0401
地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室自主研究课题. SKLGP2021Z028

Received: 2023-02-13

作者简介 About authors

张立屹（1998—），硕士研究生。E-mail：1256634879@qq.com

曾广勇，博士研究生，研究员，硕士生导师。E-mail：wuwu5125@163.com。

摘要

在石油开采、运输和加工过程中，大量油类污染物不可避免地进入到水体中，造成资源浪费的同时也严重破坏了生态环境。MXene是一种拥有二维片层结构的过渡金属碳/氮化物，由于其特殊的微观结构和优异的亲水性，已在油水分离领域得到了研究者的广泛关注。然而，MXene的油水分离研究还处在起步阶段，分离机理也有待进一步明确。首先归纳总结了MXene纳米片的制备方法，从MXene表面润湿性原理的角度出发，结合MXene独特的物理化学性质，从理论上论证了MXene材料应用于油水分离领域的可行性。其次，综述了当前MXene基吸附材料与MXene基膜材料在油水分离领域的最新研究进展，证明了MXene材料能有效地处理不同类型的含油废水，并系统地分析了MXene材料对于油污的吸附和分离机理。最后，归纳了目前MXene在油水处理过程中面临的各种挑战，并对MXene在油水分离领域的未来发展做了展望。

关键词： 二维MXene ; 表面润湿性 ; 油水分离

Abstract

In the course of oil exploitation，transportation and processing，a large amount of oil pollutants inevitably enter the water body，causing waste of resources and serious damage to the ecological environment. MXene is a transition metal carbon/nitride with two-dimensional sheet structure，which has attracted extensive attention of researchers in the field of oil-water separation due to its special microstructure and excellent hydrophilicity. However，the research of MXene in oil-water separation is still in its initial stage，and the separation mechanism needs to be further clarified. The preparation methods of MXene nanosheets was firstly summarized. From the perspective of the principle of MXene surface wettability，combined with the unique physical and chemical properties of MXene，the feasibility of MXene materials in the field of oil-water separation was theoretically demonstrated. Then，the latest research progress of MXene-based adsorption materials and MXene-based membrane materials in the field of oil-water separation was reviewed，which proved that MXene materials could be effectively used for the treatment of different types of oily wastewater. The separation mechanisms of MXene materials were also systematically analyzed. Finally，various challenges of MXene in the oil-water treatment process were summarized，and the future development of MXene in the field of oil-water separation was prospected.

Keywords： two-dimensional MXene ; surface wettability ; oil-water separation

PDF (2071KB) 元数据多维度评价相关文章导出 EndNote| Ris| Bibtex 收藏本文

本文引用格式

张立屹, 杨朝美, 曾广勇. 二维MXene材料在油水分离领域的研究进展. 工业水处理[J], 2023, 43(5): 34-43 DOI:10.19965/j.cnki.iwt.2022-0348

Liyi ZHANG, Zhaomei YANG, Guangyong ZENG. Research progress of two-dimensional MXene materials in the field of oil-water separation. Industrial Water Treatment[J], 2023, 43(5): 34-43 DOI:10.19965/j.cnki.iwt.2022-0348

水是人类生存与发展中不可替代的资源。随着工业技术的发展和人们生活水平的不断提高，水资源污染问题日益严重^〔1-2〕。在石油开采、运输和加工过程中会产生大量含油废水，不仅严重破坏了周边生态环境，也造成了资源的浪费^〔3〕。含油废水不仅来源广泛、成分复杂，且处理难度大，尤其是水中分散着粒度较小的乳化油^〔4〕。传统的含油废水处理方法如离心法^〔5〕、浮选法^〔6〕和生物法^〔7〕等（如图1所示），通常存在处理过程能耗较高、易造成二次污染等问题，均需要进一步解决。随着国家“双碳”目标的确立，为绿色清洁能源发展带来机遇的同时，也对油水分离技术在节能增效方面提出了更高的要求。

图1

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图1 油水分离常用方法

Fig. 1 The common methods of oil-water separation

近年来，建立在具有特殊润湿性材料的吸附技术与膜分离技术被广泛应用于油水分离领域^〔8〕。其凭借高效、高速、低成本及自动化等优势，为油水分离过程提供了新的思路。在具有独特润湿性的油水分离材料构筑过程中，通常需要不同的基材作为载体，这些传统的基材包括不锈钢网^〔9〕、聚氨酯海绵^〔10〕、棉织物^〔11〕、滤膜^〔12〕等（如图2所示），通过对其进行润湿性调整后，具备了良好的油水分离实际应用能力。然而，其进一步推广仍然受到一定的限制，例如不锈钢网的质量、棉织物的热稳定性和海绵材料的体积等，均是其限制因素。因此，在面对复杂的油水分离环境时，探索并设计具有优良性能的新型油水分离材料是当前研究的热点和难点。

图2

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图2 油水分离材料载体

Fig. 2 The carrier of oil-water separation material

自二维层状材料石墨烯被发现以来，以其为代表的二维纳米材料凭借独特的片层结构和特殊的化学成分，已被用于制备具有独特润湿性能的油水分离材料。大量研究表明，将石墨烯或者氧化石墨烯作为吸附材料，能够有效吸附含油废水中的油滴^〔13〕。此外，将其通过自组装等方式构筑成膜材料，能够高效率地分离含油废水^〔14〕。随着材料领域的不断发展，各种新型的纳米材料，如氮化硼^〔15〕、二硫化钼^〔16〕、二硫化钨^〔17〕和MXene^〔18〕等出现在人们的视野当中。这些新型的二维纳米材料不仅具有与石墨烯相似的性能，还具备独特的物理化学特性。其中，MXene材料作为近年来新发现的一种二维过渡金属碳/氮化物，拥有层间距易调控、表面结合位点丰富和片层结构疏松等优点。因此MXene在吸附、膜分离等领域展现出良好的应用前景。

然而MXene在油水分离领域的应用尚处在初级阶段，对于含油污水的分离机理还未有统一的定论。笔者以MXene为基础，阐述固体表面润湿性与油水分离机理之间的关系，总结MXene材料在油水分离领域的研究现状，并归纳未来MXene基油水分离材料进一步推广所面临的困难，为MXene未来的研究和实际应用提供参考依据和理论支持。

1 二维MXene材料

1.1 二维MXene简介

MXene材料通常由通式M _n₊₁X _n T _x （n为1~3）来表示，其中Ｍ代表早期过渡金属，Ｘ指碳/氮元素，T则是表面携带的官能团（如—F、—OH、=O等）^〔19〕。MXene目前已在储能、传感器、光催化和水处理等领域得到了广泛的应用。MXene表面大量的含氧官能团为其润湿性的调控起到了关键作用^〔20〕。而MXene材料独特的微观结构使其在孔道建立、层间筛分和吸附位点构筑上都有优异的表现。

1.2 二维MXene的制备

MXene的制备是利用MAX相中A与X之间的金属键较M与X之间的混合键更易断裂的特性，将MAX相中的A原子层刻蚀掉。这类自上而下制备的过程中会用到不同的刻蚀方法，主要有液相化学刻蚀和熔融态直接刻蚀。其中液相化学刻蚀是发现最早、研究最广泛的MXene制备方法。M. NAGUIB等^〔21〕利用氢氟酸（HF）刻蚀MAX相，首次制备出了MXene。刻蚀过程中，HF刻蚀的时间、温度和浓度等条件对MXene的制备有着关键影响。利用HF刻蚀制备而成的MXene具有片层均匀和剥离效果好的特点。随后，M. GHIDIU等^〔22〕发现了一种更安全的MXene制备方法，利用氟化锂（LiF）与盐酸（HCl）制备出的MXene与HF刻蚀而成的MXene相比，其横向尺寸更大，超声处理后分散更均匀。

除酸性溶液刻蚀外，Gengnan LI等^〔23〕提出利用碱性溶液刻蚀MAX相来获得MXene纳米片，使用氢氧化钾（KOH）刻蚀MAX相，获得了形貌更好的MXene纳米片。在此基础上，Xiaohong XIE等^〔24〕提出了酸碱交替刻蚀制备MXene的方法。为了降低制备过程的危险性，J. HALIM等^〔25〕提出使用氟化氢铵（NH₄HF₂）作为刻蚀剂对MAX相进行处理，制备出具有耐高温性能的MXene纳米片。

在液相刻蚀法发展的同时，P. URBANKOWSKI等^〔26〕将思路转向了熔融态的盐，在惰性气体保护下将共晶氟盐混合物与Ti₄AlN₃加热至熔融态，在熔融态下发生刻蚀反应，成功制备了MXene。Mian LI等^〔27〕利用了路易斯（Lewis）酸性氯化锌（ZnCl₂）与MAX相中的Al元素置换，获得带Cl官能团的MXene。在此基础上，V. KAMYSBAYEV等^〔28〕将熔融盐刻蚀的思路衍生开来，制备出一系列含Br、O、S、Se等官能团的MXene。熔融盐刻蚀为MXene材料的制备提出了新的方向，同时对MXene纳米片表面的功能化和结构的多样化提供了不同的思路。除了上述2类主要的制备方法，MXene材料还可以通过插层的方法制备，利用有机溶剂对MAX相插层，在溶剂中无需超声就可进行交换，制备出高度分层的MXene纳米片^〔29〕。

2 MXene的润湿性理论

表面润湿性是油水分离材料最关键的特性之一。基于杨氏方程，研究人员提出了几种经典的润湿性模型，并在此基础上研究了油水分离机理。结合二维MXene材料的化学和物理特性，在润湿性原理的基础上阐述MXene应用于油水分离的可行性。

2.1 润湿性对油水分离的影响

表面的润湿性被用来描述液滴在物体表面的渗透与扩散趋势，而影响表面润湿性的2个关键性因素是物体表面的微观几何结构和化学构成。结合自然界中的荷叶^〔30〕、甲虫外壳^〔31〕等天然材料，研究人员可以通过微观表面的构筑来达到调控润湿性的目的。对于固体表面与相应液滴之间的润湿性界定通常会使用接触角这一度量，通常情况下接触角越大，液体在界面越容易扩散与浸润^〔32〕。根据经典的杨氏方程^〔33〕：

c o s θ = \frac{γ_{S V} - γ_{S L}}{γ_{L V}}

（1）

$γ_{S V}$ 、 $γ_{S L}$ 、 $γ_{L V}$ 分别表示固-气、固-液、液-气界面之间的界面张力。当液滴置于理想的光滑表面时，由于固、液表面外层的分子会自发地以较低的能态存在，因此液滴与固体表面之间会形成一定的角度，即接触角（ $θ$ ），如图3（a）所示。然而，杨氏方程的应用场景为光滑的理想表面，实际应用的表面通常是粗糙、非均一的。因此后续的研究中，R. N. WENZEL^〔34〕定义了相应方程来更好地描述粗糙表面上液滴的扩散行为，如图3（b）所示。当粗糙表面与液滴相接触时接触角（ $θ_{w}$ ）有以下状态方程：

c o s θ_{w} = r c o s θ

（2）

r代表表面粗糙表面与光滑表面的比值。值得注意的是，这里Wenzel方程的适用条件是当液滴与粗糙表面接触时，液体完全侵入到粗糙表面的凹槽当中。在Wenzel方程中，没有考虑物体表面微观结构与化学成分的影响，真实情况下粗糙程度是非均匀的，表面的化学组成也是不一致的。为了更贴近真实的物体表面情况，研究人员提出了Cassie-Baxter润湿状态^〔35〕，如图3（c）所示，状态方程如下：

c o s θ_{C B} = f_{S L} (1 + c o s θ_{w}) - 1

（3）

$f_{S L}$ 表示对应的固-液界面面积比。在Cassie-Baxter润湿状态下，固体表面粗糙缝隙间的空间被空气充满，液体不能穿透这些由空气填充的空间。这样可以理解为重新构建了相对均一的表面，从而排除不均一性带来的影响。

图3

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图3 3种润湿性模型

Fig. 3 The diagrams of three different wetting models

基于上述润湿模型，具有特殊润湿性能的多孔界面材料可以应用于油水分离领域。自然条件下油相与水相两者的界面张力不同，会互相排斥。因此，结合空气中的固体表面润湿模型，A. TUTEJA等^〔36〕提出了相似的油水界面模型。在油水润湿模型中，固体表面纹理裂隙中的填充物由空气变成油相或者水相，并排斥对应的水相或者油相：

c o s θ_{O W} = \frac{γ_{S W} - γ_{S O}}{γ_{O W}}

（4）

对于油水的分离，不论是超亲油-疏水的材料，还是超亲水-水下超疏油的材料，都面临着2个关键性的因素，即表面的孔隙度与液体侵入压力（ $∆ P c$ ）^〔37〕。侵入压力是指液体进入固体表面粗糙缝隙前表面可以承受的最大压力^〔38〕：

∆ P c = \frac{2 γ_{L} c o s θ}{R}

（5）

$γ_{L}$ 表示液体的界面张力， $θ$ 表示液体在平面时的接触角， $R$ 代表固体表面缝隙的半径。以空气中的固体表面为例，油水分离润湿模型由图4所示。图4（a）表示当 $θ > 90 °$ 时，入侵压力 $∆ P c$ 为正值，液体可以自发穿过孔隙；图4（b）表示液体不能自发穿过；图4（c）、图4（d）表示油相与水相之间的渗透机理^〔39〕。

图 4

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图 4 油水分离润湿模型

Fig. 4 The wetting model of oil-water separation

结合上述机理，在油水分离过程中，由于材料表面的化学构成与结构原因，油滴或水滴可以迅速地排除材料表面粗糙缝隙和纹理中的空气，形成连续的油膜或者水膜，使得固体表面超疏水或者水下超疏油。在设计材料表面时，可以通过化学组成的调控与微观结构的设计来改变材料的性能，例如提高材料对油的吸附能力可以更好地形成油层，防止水相突破孔隙，增加吸附效率^〔39〕；例如通过水下超疏油表面的构筑，也可以更好地提高材料表面的抗污染性能，防止油黏结。

2.2 MXene的润湿机理

MXene材料是一种亲水性材料，通过测量MXene材料的接触角可以准确获得其润湿性的变化。Hang ZHOU等^〔40〕测量了MXene的静态和动态接触角，并在此基础上研究了材料的干燥、负载和储存条件对MXene润湿性的影响。在不同实验条件下MXene材料的接触角都小于90 $°$ ，证明MXene在普遍状态下的亲水性，这为其在油水分离领域的应用打下了基础。

同时MXene二维的微观结构特点也是其作为特殊润湿性材料的关键，片层结构的堆叠和插入，在固体表面会形成更多的粗糙孔隙与纹理，为液体的浸润和液膜的形成提供更多载体。Weizhai BAO等^〔41〕通过真空冷冻干燥的方式，制备的MXene纳米片具有更大的比表面积，拥有更大的吸附容量。MXene纳米片在干燥过程中会发生自然的褶皱。这种独特的物理特性使得MXene片层具有较大的孔隙率与粗糙的表面^〔42〕。

此外，固体表面的化学组成同样会影响表面润湿性。MXene材料的表面拥有—OH、=O等亲水官能团，对MXene材料表面的润湿性能有着重要影响，同时也提供了更多的反应位点，赋予MXene材料更多的可调控性。Qingquan LIN等^〔43〕利用天然亲水材料聚多巴胺（PDA）对MXene进行改性，制备了具有较高通量的染料处理膜。由于MXene表面丰富的官能团存在，可以与PDA生成氢键，通过MXene表面亲水基团与PDA的协同作用，增加了复合膜表面的亲水性。其中，纯膜接触角为76 $°$ 而最佳改性膜接触角为13 $°$ ，证明随着PDA含量的增加，复合膜接触角减小，亲水性增强，同时纯水通量上升。基于润湿性理论，从微观结构和化学组成的角度证明了MXene材料应用于油水领域的可行性。针对不同油水分离场景，衍生出不同类型基于MXene的油水分离材料，主要分为MXene基油水吸附材料与MXene基油水膜分离材料两大类。

3 MXene基油水吸附材料

吸附法是一种绿色、高效的油污染处理方法^〔44〕。二维氧化石墨烯（GO）材料凭借独特的片层结构和高孔隙率的特点，被用作除油吸附剂基材，而与GO高度相似的新型二维MXene材料也同样具备成为优秀除油吸附剂的潜质^〔45〕。相较GO而言，MXene拥有更粗糙的片层结构、丰富的表面官能团、良好的结构稳定性。

3.1 单一MXene基油水吸附材料

Ningning WANG等^〔46〕通过对PAA/MXene悬浮液的冷冻干燥和热酰亚胺化得到PI/MXene气凝胶，由于PI链与MXene纳米片之间的强相互作用，PI/MXene气凝胶具有低密度、多孔和疏水的特点。随着MXene的加入，空气中的水接触角从89 $°$ 增大到125 $°$ ，吸油性能较单一的PI气凝胶有显著提升。由于MXene的片层结构特点，有效地提高了气凝胶的吸附能力。PI/MXene气凝胶对各种有机液体的吸收可达自身质量的18~58倍，可以迅速分离水-油体系中的氯仿、大豆油和液体石蜡等。同时在极端的环境下表现出良好的热稳定性和优秀的可重复使用性，如图5所示。

图5

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图5 PI/MXene气凝胶制备（a）；PI/MXene气凝胶微观结构和疏水性效果（b）

Fig. 5 PI/MXene aerogel preparation（a），PI/MXene aerogel microstructure and hydrophobicity display（b）

Jinwei XUE等^〔47〕利用简单的真空冷冻干燥在三聚氰胺海绵立方体上包覆一层MXene纳米片，制备了功能化涂层。由于片层状的MXene可以在海绵骨架上形成褶皱纹理，形成疏水性的粗糙层，使得功能化海绵可以高效地吸附油污，使油水分离。该TDA-MXene功能化海绵的吸附能力在其自身质量的60~112倍范围内。此外，其在空气中的水接触角达到153 $°$ ，属于超疏水表面。而且在高温、酸碱等恶劣条件下依然可以维持较高的疏水亲油性。

3.2 MXene基多功能油水吸附材料

单一性能的除油吸附剂在油污的处理上面临表面污染问题。将吸附剂与光热材料相结合是近年来的研究热点。具有光热性能的除油吸附剂在光照条件下能有效降低油污的黏度，增加吸附效率，提高对含油废水的处理能力，更适合于实际的应用环境。

Mengke WANG等^〔48〕通过三聚氰胺海绵骨架上的氨基基团与二维MXene纳米片表面的极性基团之间的氢键作用相组装，制备出一种疏水性的功能化光热海绵。该功能化海绵可以吸附自身176倍质量的油污，同时表现出优秀的光热效应，表面温度在光照下可以迅速达到47 ℃。表面温度的增加会导致黏附油污的黏度下降，可以有效增加功能化海绵的油污吸附效率。

Chenyang CAI等^〔49〕受天然木材结构-功能的启发，通过简单的冷冻组装策略，利用功能化纤维素纳米晶体（f-NCC）作为多功能改性剂，将MXene分散到超轻生物质PU气凝胶中。由于片层状MXene的引入形成了多孔道结构，维持了吸附剂的表面润湿性，对光热转换效率也有正向作用。超疏水的表面和光热自清洁功能相结合，使得该功能化气凝胶可以应用于复杂的油水处理环境。

Peilin WANG等^〔50〕利用聚二甲基硅氧烷进行涂层和修饰MXene包覆的木质海绵，制备了具有光热降解能力的原油吸附剂。该木质海绵具有143.2 $°$ 的油下水接触角，表现出优秀的疏水性。同时该木制海绵优秀的光热性质可以降低原油黏度，维持吸附剂表面的润湿结构，增加吸附剂孔隙对于原油的吸附效率，提升实际应用中对含原油废水的吸收效果。

4 MXene基油水分离膜

除利用吸附技术处理含油废水，膜分离技术同样能够高效、低耗和绿色地处理油水污染问题。膜材料是膜分离技术的关键，以二维MXene材料构筑油水分离膜，凭借其二维结构特点和润湿性能改善复合膜的油水分离能力。归纳了以二维MXene材料为主体的油水分离膜，并总结了不同制备策略对MXene基油水分离膜性能的影响。

4.1 纯MXene油水分离膜

Zhongkun LI等^〔51〕使用聚醚砜膜作为支撑层，利用真空抽滤的方式，制备出一种亲水性的MXene复合膜。通过对复合膜的动力学模拟证实了该膜的亲水性，该复合膜在空气中的水接触角小于30 $°$ ，水下油接触角大于130 $°$ ，是一种典型的亲水-水下疏油的复合膜。由于MXene的引入，增加了复合膜表面的粗糙度，拥有更多纹理和孔隙。实验结果表现出复合膜优秀的油包水乳液分离能力，对水包油乳液的截留率在99%以上，同时复合膜还具有良好的水下抗油污性能。

Haijun ZHANG等^〔52〕采用相似的策略，将MXene纳米片沉积在偏氟乙烯基膜上，制备出用于水包油乳液分离的复合膜，水下的油接触角达到158 $°$ ，表现出良好的水下疏油性。该膜具有较高的油水乳浊液通量，达到了8 870 L/（m²·h·MPa），同时还拥有较高的截留率。除此之外，该复合膜具有良好的稳定性，拥有在强酸、强碱条件下工作的能力。

除了以传统商用膜作为支撑层外，J. SATHTHASIVAM等^〔53〕采用了一种新型的制膜方法，利用打印技术将MXene油墨直接打印在打印纸上，同样获得高水下疏油性的MXene膜。MXene纳米片的集成和相互连接形成的多孔结构对膜的亲水性、水下疏油性和抗油黏结性有着积极作用。

4.2 改性MXene油水分离膜

随着研究的进展，研究人员不再单纯地局限于利用纯MXene材料来控制膜的润湿性能，而是通过引入官能团或引入新的纳米材料来改变MXene基油水分离膜的性能。

Xuan LONG等^〔54〕利用氢氧化钠对MXene材料进行改性，制备了富含羟基的新型MXene材料，随后以该材料为主体构筑的复合膜具有超高通量截留油水乳液的能力，通量高达63 850 L/（m²·h·MPa）。通过亲水改性的方法来改变MXene材料的表面化学组成，使得改性后的MXene膜拥有157 $°$ 的水下油接触角，这证明通过亲水羟基的接枝，可以有效地改变MXene膜的润湿性。

除了直接化学改性MXene表面以外，还可以通过引入亲水性的纳米材料，达到调控润湿性的目的。如图6（a）所示，Shuangjiang HE等^〔55〕通过将MXene与亲水性的MOF材料UIO-66-（COOH）₂混合并抽滤，构筑了复合亲水性功能层。引入亲水的纳米材料不仅扩大了MXene片的层间距，拓宽了水分子通道，并且由于MOFs材料均匀地分布在复合膜的表面，使得其表面粗糙度得到了改善。如图6（b）~图6（e）所示，由于MOFs材料本身的亲水性，改变了膜表面的化学组成，更好地调控了复合膜的表面润湿性，在保持截留率不变的条件下，通量增大。同时高度亲水的表面增加了膜的抗油污能力，防止水下油污黏结。

图6

新窗口打开| 下载原图ZIP| 生成PPT

图6 复合膜合成图（a）；MOFs改性MXene复合膜水接触角（b）；水下油接触角（c）；膜表面SEM图像（d）和水下抗油黏附图片（e）

Fig. 6 Synthesis diagram of composite membrane（a）；water contact angle of MOFs modified MXene composite（b）；underwater oil contact angle（c）；SEM image of membrane surface（d） and underwater oil resistance images（e）

随着MXene材料的研究不断深入，采用亲水性改性与纳米材料引入的协同改性策略被逐步完善。可以同时实现MXene膜表面润湿性的改善和渗透通道的扩大。Xiaofang FENG等^〔56〕利用多巴胺的黏附性能将亲水性的还原氧化石墨烯（RGO）与MXene相互层叠，制备了多功能的油水分离膜。由于多巴胺、RGO、MXene三者的协同作用，增强了复合膜的亲水性能，最佳膜的纯水通量高达16 000 L/（m²·h·MPa），水下油接触角达到137.9 $°$ 。Guangyong ZENG等^〔57〕利用埃洛石纳米管（Hal）和PDA协同修饰MXene，然后通过真空抽滤的方式制备Hal@MXene-PDA二维（2D）复合膜。接触角随着Hal的加入逐步降低至14.5 $°$ ，复合膜表面达到超亲水状态。同时最佳比例复合膜纯水通量达到28 928 L/（m²·h·MPa），证明Hal与PDA的协同修饰有效地改善了复合膜的性能。

4.3 MXene基多功能油水分离膜

含油废水体系通常不仅只含有油污一种污染物，水中的蛋白质、小分子等也同样值得关注，它们的存在会对油水分离膜表面的润湿结构造成破坏。除了通过调控表面结构达到表面抗污染性能以外，还可以通过光催化的能力来降解膜表面污染物，以保持膜表面的润湿性功能结构不被破坏，因此产生了多功能油水分离膜。

Qingquan LIN等^〔58〕将新型二维光催化剂氮掺杂Bi₂O₂CO₃与MXene共混，制备了具有一定自清洁能力的油水分离膜。该膜在保持8 153 L/（m²·h·MPa）的较高通量时，还具有良好的截留率，对植物油和润滑油的水包油乳浊液截留率达99%以上。同时该多功能膜还对刚果红、曲利苯蓝和罗丹明B这3种不同染料有着优异的降解率，均达到98%以上。Bi₂O₂CO₃纳米片经十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）修饰后变成了玫瑰花蕾形状，可以有效地拓宽MXene的层间距，为膜表面液膜的形成提供支撑。

Qingying FENG等^〔59〕采用类似的思路，将光催化纳米粒子TiO₂嵌入到MXene纳米片片层间，再通过层层自组装的方式在多孔PEN纳米纤维毡上制备了功能层。制备而成的复合膜具有22 700~25 075 L/（m²·h·MPa）的高油水通量，同时具备对多种染料的光降解能力。随着MXene的含量增加，空气中水接触角逐渐减小，从76.6 $°$ 减小到50.9 $°$ ，同时随着TiO₂的引入，复合膜的水接触角进一步减小。说明粗糙的纳米粒子会在膜表面形成更多的沟壑纹理，使得亲水性的条件更加突出。

Jiaxin HU等^〔60〕通过真空辅助自组装的方式在多孔聚偏二氟乙烯（PVDF）基底上，将带正电的Fe（OH）₃胶体纳米颗粒嵌入到带负电的MXene纳米片中，由于静电作用，2种纳米粒子稳定结合。同时在复合膜表面引入壳聚糖/单宁酸水凝胶包覆层，不但防止了MXene纳米片的氧化，促进了光催化剂β-FeOOH纳米颗粒的原位矿化，而且还增加了表面亲水的化学组成。因此，该复合膜具有较大的油水通量和一定的光降解性能，β-FeOOH纳米颗粒为复合膜表面增加了层次化的微/纳米结构，促进了超亲水/水下超疏油性能，同时提高了光诱导的自清洁性能。

5 总结

MXene作为新一代的二维纳米材料，具有独特的片层结构和丰富的表面亲水官能团，其微观结构特点与化学性质使其在油水分离领域具有应用的可行性。尽管近年来基于润湿性理论的MXene基油水分离材料发展迅速，还存在着一些难点有待研究者们进一步攻克。

（1）MXene材料易在水溶液中氧化。由于MXene的分层结构将过渡金属原子层暴露在外基面上，过渡金属层高度亲氧且易于发生表面反应。因此作为吸附材料，MXene基除油吸附剂的吸附结构容易被破坏，导致其难以长时间应用。同时，作为膜分离材料，该易氧化特点导致MXene基油水分离膜抗溶胀性能差，功能层结构易坍塌。因此在基于MXene的复合材料制备与应用过程中，应该最大限度地避免氧化对MXene的影响。此外，如何对其进行抗氧化性改性和抗溶胀改性存在研究的必要性。

（2）进一步探索MXene基油水分离材料的构效关系和分离机制。油水分离材料表面微观物理结构与化学组成的相互作用机理尚未完全明确，引入MXene材料来控制润湿性的机理还需要更加系统地验证。MXene基油水分离材料对不同类型油污的分类分离还没有系统研究，实际油水分离环境对分离材料的制约机理还需要进一步验证，并针对性地完善制备材料的策略。

（3）MXene基油水分离材料的规模化制备。不论是作为吸附材料还是膜材料，其制备所需的原材料价格昂贵，制备工艺也尚处于起步阶段，难以大规模实际应用。因此，需要进一步研究适用于工业化生产的MXene制备方法。

随着研究的展开和深入，对于MXene在油水分离领域的研究与应用会进一步完善。MXene作为油水分离材料的研究虽然尚处在起步阶段，但是可以预见，MXene材料在油水分离领域具有广阔的应用前景。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

DUBANSKY

， WHITEHEAD

， MILLER

J T

，et al.

Multitissue molecular，genomic，and developmental effects of the Deepwater Horizon oil spill on resident Gulf killifish （Fundulus grandis）

［J］. Environmental Science & Technology，2013，47（10）：5074-5082. doi:10.1021/es400458p