沙特Ihsanullah博士综述：MXenes在海水淡化中的研究现状和展望

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-Ti₃C₂T_x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。