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2026
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Desalination｜MXene基膜在先进海水淡化中的应用：性能、工程策略与新兴应用
作者：
综述题目
MXene-based membranes for advanced desalination: Properties, engineering strategies, and emerging applications
MXene基膜在先进海水淡化中的应用：性能、工程策略与新兴应用
期刊名称：Desalination
发表日期：2026年1月21日
DOI号：10.1016/j.desal.2026.119860
摘要内容
膜基海水淡化是一种前景广阔的解决方案，但传统聚合物膜在盐截留率、抗污染性和化学稳定性方面存在局限性。二维MXene材料作为有前景的替代方案应运而生：其层状结构、可调层间距、表面官能团和高电导率特性，使其能够实现快速水传输和选择性离子筛分。本综述概述了MXene基膜在各种海水淡化工艺（反渗透、纳滤、正渗透、电容去离子和膜蒸馏）中的新进展。本文讨论了与海水淡化相关的MXene基本特性，包括层间工程、表面化学和机械稳定性，并综述了多种膜结构：纯MXene层状膜、MXene-聚合物复合材料、混合纳米材料体系以及智能设计（仿生、刺激响应和自修复）。分析表明，MXene膜在多种海水淡化场景中 consistently 表现出*高水渗透性和高盐截留率，通常超越传统膜。交联和复合制备等策略已缓解了溶胀和氧化挑战，而MXenes固有的电导率开辟了新的抗污染和可调性机制。通过综合从材料设计到系统级实施的知识，本综述独特地架起了MXene膜基础科学与实际应用之间的桥梁，识别了实际条件下长期稳定性以及离子传输机制深入理解等剩余挑战，并概述了推进可规模化MXene海水淡化技术的未来研究方向。
综述背景和意义
全球淡水资源短缺已成为严峻挑战，超过23亿人口面临水资源压力，预计到2030年全球水需求可能超过供给近40%。海水淡化技术作为弥合这一缺口的关键手段，其中反渗透（RO）、纳滤（NF）、正渗透（FO）、电容去离子（CDI）等技术已广泛应用。然而，传统聚酰胺或聚砜膜存在显著局限：对二价离子盐截留率低、抗污染性差、化学不稳定以及长期性能衰减。研究表明，由于生物污染和结垢，膜通量可下降30-50%。
在此背景下，二维纳米材料如氧化石墨烯、MoS₂和MXenes在膜技术领域引起广泛关注。其中，MXenes（过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物）因其*高亲水性、金属电导率和可调控的表面官能团（-O、-OH、-F）而脱颖而出。这些特性使MXenes能够形成具有可及纳米通道的层状结构，实现快速水传输的同时保持良好的离子截留率。此外，MXenes具有高抗菌效能和优异的化学稳定性，与传统材料相比更能减少生物污染并抵抗苛刻的海水淡化条件。因此，MXene膜已成为未来海水淡化技术的有前景替代方案。
综述内容
一、MXenes的关键特性
1. 可调层间距与离子筛分
MXene基膜关键的特性是其**可调的层间距，这直接控制水渗透和离子截留性能。通过调控片层功能化、插层、环境湿度和外部压力等因素，可实现对二维纳米通道的**控制。研究表明，将层间距控制在6.5-7.0 Å以下，可通过尺寸排斥机制有效筛分水合离子。自交联MXene膜（SCMMs）通过-OH缩合形成-O-桥键，将湿态下的层间距从16.6 Å降至15.4 Å，显著提高了稳定性。
2. 表面化学与亲水性
MXenes表面富含-OH、-O和-F等官能团，这些基团显著影响膜表面的亲水性、静电相互作用和化学反应性。-OH和-O端基可显著提高MXene表面亲水性，水接触角仅为20°-40°，远低于氧化石墨烯或MoS₂。表面电荷密度产生的静电排斥效应可实现Donnan排斥和抗污染特性。pH响应行为使MXene表面在不同环境下具有自适应离子相互作用能力。
3. 机械稳定性与结构完整性
MXenes（特别是Ti₃C₂Tₓ）具有本征柔韧性和强度，这归因于其二维层状形貌和过渡金属原子间的强面内金属键。然而，独立的MXene片层在膜制备过程中容易重新堆叠，导致层间距减小和水通量降低。通过聚合物交联（如PVA、壳聚糖、聚乙烯亚胺）或纳米材料插层（氧化石墨烯、碳纳米管、金属有机框架）可显著增强膜的结构完整性。
二、MXene膜的类型与结构
1. 纯MXene膜
通过真空辅助过滤或层层组装方法制备，形成排列良好的MXene纳米片堆叠结构，建立窄而均匀的二维纳米通道（<1 nm）。例如，60 nm厚的超薄MXene膜在65°C下对3.5 wt% NaCl溶液的水通量达85.4 L m⁻² h⁻¹，盐截留率达99.5%。但纯MXene膜面临溶胀、氧化降解和机械脆性等挑战。
2. MXene-聚合物复合膜
将MXene纳米片与聚合物（如聚偏二氟乙烯PVDF、聚酰胺、聚丙烯腈）复合，通过界面聚合、静电纺丝、相转化和真空辅助自组装等技术实现。MXene在复合膜中可作为纳米颗粒、中间层或纳米填料，同时改善水渗透性、离子选择性和机械强度。
3. MXene纳米材料杂化体系
将氧化石墨烯（GO）、碳纳米管（CNTs）、金属有机框架（MOFs）和共价有机框架（COFs）等纳米材料引入MXene基质，形成多功能、分级结构的杂化体系。这些杂化体系可防止MXene纳米片重新堆叠，扩大层间距，改善离子筛分并提高水通量。
4. 智能与刺激响应型MXene膜
利用pH、温度、电场、光照和离子强度等环境触发因素动态调控传输性能。例如，电场响应型MXene膜可通过施加电压调控层间距，增强离子选择性；光响应型膜可通过掺杂光致变色化合物或纳米颗粒改变通道结构和渗透性。
5. 仿生MXene膜
借鉴自然界的设计原理，如贻贝的超强粘附性、植物根细胞的选择性离子传输和蝴蝶翅膀的光捕获结构。例如，受多巴胺启发的MXene/PEI纳米结构膜表现出*高水渗透性（38.2 L m⁻² h⁻¹ bar⁻¹）和优异的染料截留率（>98%）。
6. 抗污染与自修复MXene膜
通过化学功能化、光催化耦合和刺激响应修饰，MXene基膜可表现出可逆润湿性、有机物催化降解甚至光触发污染物去除能力。自修复功能使膜在污染后能够自主恢复初始性能。
三、性能增强工程策略
1. 缺陷工程
通过在MXene片层中引入可控纳米孔或空位，创建新的水/离子通道，提高渗透性同时保持选择性。化学刻蚀制备的多孔MXene层状膜含有连接常规二维狭缝通道的纳米孔，可实现阳离子选择性通道网络。
2. 层间距稳定化
采用柱撑策略（插入刚性间隔物种如二氧化硅、金属离子或聚合物分子）固定**纳米级间隙；或通过交联或强层间键合防止膨胀。例如，植酸/Fe³⁺插层的自交联MXene膜将平衡层间距从16.6 Å降至15.4 Å，并保持70小时稳定性能。
3. 电导率辅助抗污染控制
利用MXene的高电导率（高达20,000 S cm⁻¹），通过施加外部偏压主动控制污染。在-4 V阴极偏压下，MXene膜对腐殖酸污染的通量恢复率（FRR）达到99.8%，而无不加电压时仅为92.5%。
4. 机械增强
通过剪切流诱导纳米片排列、添加一维纳米纤维（纤维素、芳纶、碳）或二维纳米片（石墨烯）到MXene基质中，以及将MXene嵌入支撑骨架，可显著提高膜的韧性和抗压能力。
5. 能效集成
将MXene膜与低能耗海水淡化方案集成，利用其电导率和光热特性。在CDI和FO中，MXene可作为导电元件主动传输离子；在光热膜蒸馏中，MXene涂层可实现**太阳能驱动海水淡化。
四、主要海水淡化技术应用
1. 反渗透（RO）
将Ti₃C₂Tₓ MXene纳米片掺入聚酰胺RO膜或制备纯MXene膜，可增强抗污染行为、提高水渗透性和选择性。例如，Ti₃C₂Tₓ嵌入聚酰胺的薄膜纳米复合（TFN）RO膜水通量从41.1提升至64.7 L m⁻² h⁻¹，NaCl截留率达98.5%。
2. 正渗透（FO）
MXene基膜在FO中表现出高水通量和低反向溶质通量，这归因于MXene纳米通道的促进水传输和增强的表面润湿性。优化的MXene/C-HNTs复合FO膜纯水通量达191.4 L m⁻² h⁻¹，同时保持>99%的染料截留率。
3. 电容去离子（CDI）
MXenes作为高电容电极，可快速插层离子，实现**盐去除和易再生。优化的Ti₃C₂Tₓ电极在1.2 V电位窗口下盐吸附容量（SAC）达68 mg g⁻¹，能耗仅0.24 kWh/kg NaCl。非对称CDI配置（MXene作为钠选择性电极，活性炭作为氯选择性电极）电荷效率从4%提升至85%。
4. 纳滤（NF）
MXene层状结构允许窄而明确的传输通道，有效分离盐和污染物。MXene基磺化薄膜纳米复合（STFN）膜水渗透性达4.33 L m⁻² h⁻¹ bar⁻¹，离子截留遵循Na₂SO₄ > MgSO₄ > MgCl₂ > CaCl₂ > NaCl的顺序。
5. 膜蒸馏（MD）
MXene的二维层状结构有利于制备具有定制孔隙率和低热导率的复合或杂化膜，*小化导热损失并提高能效。MXene-PVA-TiO₂@PVDF复合膜在一次光照下水通量达1.23 kg m⁻² h⁻¹，盐截留率99%，太阳能效率85%。
6. 分散式和便携式海水淡化系统
MXene基膜特别适合小型、离网水处理系统。Ti₃C₂Tₓ涂层PTFE膜在光热膜蒸馏中实现0.77 kg m⁻² h⁻¹水通量和65%太阳能-蒸汽效率，1平方米膜每天可产水约6升。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/xfBaxOM5z3vernYu7GKKIw
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