作者简介
赵兴雷（1977—），博士，教授级高级工程师，研究方向为二氧化碳捕集、利用与封存，E-mail：zhaoxinglei@cnpc.com.cn。
范文琦（1997—），博士，工程师，研究方向为二氧化碳捕集、利用与封存，E-mail：fan-wenqi@cnpc.com.cn。
二维MXene膜在分离与净化领域的应用研究进展
赵兴雷 1,2
叶舣 1,2宁晨君 1,2刘龙杰 1,2范文琦 1,2
孙伟 1,2薛明 1,2
1. 中国石油集团安全环保技术研究院有限公司，北京 102206；2. 石油石化污染物控制与处理国家重点实验室，北京 102206
摘 要 MXene作为新型二维过渡金属碳化物/氮化物材料，凭借其独特的结构和丰富的表面官能团，在分离与净化领域展现出优异性能。结合有关理论及实验研究成果，介绍了MXene膜的后处理稳定性、电学性能和机械性能等物理化学特性，综述了MXene膜在气体分离与捕集、离子筛分、水体净化和有机溶剂纯化等领域的应用研究进展。尽管MXene膜在分离与净化领域展现出较大应用潜力，但仍面临稳定性、层间距调控、溶胀、界面兼容性、成本，以及环境安全等方面的挑战。未来研究需整合表面改性、结构设计和工艺优化等策略，同时探索低成本制备技术，并加强环境安全评估，促进MXene膜在更广泛领域的应用。
关键词 膜分离；二维MXene膜；气体分离；离子筛分；水体净化；有机溶剂纯化
膜分离技术自20世纪初诞生以来，至20世纪60年代进入快速发展期，已成为现代分离技术的核心之一。聚合物基膜材料（如聚酰胺、聚砜等）凭借其可加工性和成本优势，在气体分离、废水处理和海水淡化等领域占据主导地位 [ 1-2] 。然而，传统聚合物膜存在“渗透性-选择性权衡”难题（“trade-off”效应），制约了其性能提升，亟需开发新型膜材料体系。二维膜材料通过原子级厚度（通常 < 10 nm）的层状结构和亚纳米级孔道设计，可以显著降低传质阻力，实现分子级筛分 [ 3-4] ，为突破传统膜材料性能瓶颈提供了途径。实际应用中，常采用纳米片堆叠策略构建二维膜，其层间纳米通道与片内孔道协同作用，形成了多级筛分机制，有效提升了分离效率。
二维材料的发展为膜技术革新提供了丰富的材料库。自2004年NOVOSELOV团队开创性制备了石墨烯二维晶体以来 [5] ，六方氮化硼（ h -BN） [6] 、过渡金属硫族化合物（TMDs） [7] 等二维材料相继出现，具有独特的分离、净化性能。近年来，MXene作为一类新型二维材料引起研究者关注。
2011年，美国雷德塞尔大学研究人员首次报道了二维Ti 3 C 2 T x 层状纳米材料，该材料由三维MAX相前驱体经拓扑转换获得（ 图1 ），其独特的二维片状形貌与石墨烯层状特征相似，因此被命名为MXene [8] 。MXene晶体结构遵循通式M n +1 X n T x （ n = 1~3），其中M代表过渡金属元素（Sc、Ti、Zr、Hf、V、Nb和Mo等），X代表C、N或CN原子层，T代表表面官能团（—O、—F和—OH等） [9] 。依据原子层数量，MXene可分为M 2 X型单层结构（如Ti 2 C）、M 3 X 2 型双层结构（如Ti 3 C 2 ）和M 4 X 3 型三层结构（如Nb 4 C 3 ）。其层状构型表现为：每个MXene单层由上下过渡金属原子层夹持单层X原子层，构成三明治结构。根据金属元素组成，MXene可分为单金属和双金属体系。根据金属原子在M层的排列方式，双金属MXene进一步分为固溶体型（金属原子无序分布）和有序排列型（金属原子呈周期性交替排列）。理论模拟研究表明，有序排列型双金属MXene相比固溶体型具有更优的热力学稳定性 [10] 。
▲ 图1 MAX体相结构及其对应的MXene结构示意图[8]
对比了当前主流分离净化膜材料的应用领域及特性（ 表1 ），包括金属有机骨架膜（MOFs膜）、碳纳米管膜、氧化石墨烯膜、陶瓷膜、聚合物膜，以及MXene膜。MXene膜凭借其独特的二维层状结构，优异的分离选择性与渗透通量，在分离与净化领域展现出较大应用潜力。
▼ 表1 分离净化膜对比
MXene膜通常采用3种策略制备：将MXene作为骨架材料直接制备具有层状结构的二维膜；将不同的聚合物或纳米材料与MXene结合制备复合膜；将MXene作为涂层材料修饰原始支撑层制膜 [11] 。采用上述方法制备的MXene膜中，相邻纳米片随机堆叠，形成无序的层间纳米通道，作为物质传输路径。这种层间堆叠结构，既能够凭借通道孔径与大分子间的空间位阻效应，实现对大分子化合物的高效截留；又可以借助表面官能团降低小分子的传输能垒，进而让小分子快速通过，最终实现高效分子筛分 [9] 。MXene具有优异的化学、机械、光学和分离性能，如高柔韧性、亲水表面、高强度和良好导电性等。构筑成膜后，相邻MXene纳米片之间存在较弱的静电斥力和更强的范德华力，使得MXene膜在水溶液中的结构稳定性显著优于其他二维材料膜，将MXene膜应用于分离与净化领域前景广阔。一方面，MXene膜在稳定性、机械性能、电学性质等方面取得了显著进展。例如，通过优化制备工艺、表面修饰和掺杂改性，可显著提升膜的抗氧化性能和机械强度，使其在气体分离、离子筛分、水体净化和有机溶剂纯化等领域展现卓越性能。另一方面，MXene膜仍存在诸多不足，包括材料易氧化、层间距调控技术尚处于实验室阶段、复杂环境中易溶胀、界面兼容性问题突出、制备成本高，以及环境安全性评估体系不完善等，这严重制约了其大规模应用。
本综述内容从MXene膜的物理化学特性出发，逐步延伸至其应用现状，并对其未来发展进行展望（ 图2 ）。通过这一过程，将系统梳理MXene膜在分离与净化领域的应用研究进展，探讨其面临的机遇与挑战，并为MXene膜在该领域实现广泛、高效的应用拓展思路。
▲ 图2 综述内容总览
1MXene膜的物理化学特性
MXene作为一种新兴的二维无机化合物，因其独特的层状结构和丰富的组成而备受研究者关注。其不仅具有出色的物理性质，还展现出多样的化学特性，是材料科学领域新的研究热点。对MXene膜的物理化学性质进行了介绍，特别是后处理稳定性、机械性能、电学性质及其他特性。
1.1 后处理稳定性
MXene膜在潮湿空气中稳定性不佳，归因于其纳米薄片易氧化团聚、胶体溶液不稳定，以及薄膜容易发生溶胀和降解等 [24] 。MASHTALIR等 [25] 发现在含溶解氧的水溶液中，Ti 3 C 2 T x 纳米片会发生氧化，主要生成TiO及TiO 2 ，且光照会显著加速该过程。可以采取优化制备工艺、表面修饰、改善存储条件和掺杂改性等多种策略，提高MXene膜稳定性。优化制备工艺方面，侯淑萍等 [26] 采用路易斯酸熔融盐刻蚀法，显著减小了MXene片层表面的缺陷密度，从而提高了其稳定性。通过后处理方法也可以提高MXene膜稳定性，如采用真空退火法去除表面吸附的水分，优化其分离性能 [27] 。表面修饰法可以在MXene表面形成保护膜或化学键，阻止氧气接触，提高膜的抗氧化性能，如硅烷化处理 [28] 和聚多巴胺涂层 [29] 。将MXene膜储存于低温、干燥且隔绝氧气的环境中，可有效减缓氧化，延长其使用寿命 [28] 。可以通过掺杂改性改变MXene的表面性质，提高其抗氧化性能。如ZHAO等 [30] 添加L-抗坏血酸钠作为抗氧化剂，有效提高了MXene胶体溶液在大气环境中的稳定性。这些方法显著提升了MXene膜的稳定性，为其在更广泛领域的应用提供了支撑。需要注意，每种方法都有局限性和适用条件，实际应用中应根据具体需求和条件选择适当方法来提高MXene膜的稳定性。随着对MXene膜稳定性研究的深入，有望在复杂环境中使用MXene膜，拓展其应用领域。
1.2 机械性能
MXene膜展现出优异的机械性能，其杨氏模量可达(0.33 ± 0.03) TPa，高于相同厚度的其他材料二维膜。同时，MXene膜的临界应变值较大，这一特性有效防止了在受到拉伸应力时，其表面金属层出现塌陷现象，进而增强了材料柔韧性和耐用性 [13] 。然而，MXene膜的机械性能受到多种因素制约，如孔隙、片层褶皱等，结构上的缺陷会损害膜的连续性和一体性，从而削弱其机械性能 [26] 。LING等 [31] 将聚合物掺入MXene溶液中，制成厚度为5 μm的薄膜，该薄膜在卷成圆筒状后，其顶部极限载荷量为自身质量的4000倍。进一步地，将Ti 3 C 2 T x 与10%（质量分数）聚乙烯醇（PVA）复合，其载荷量达到自身质量的15000倍。BORYSIUK等 [32] 通过分子动力学模拟发现，二维碳化钛（Ti n +1 C n ）中Ti 2 C的拉伸强度极限高于Ti 3 C 2 和Ti 4 C 3 。WANG等 [33] 将MXene与纤维素等材料复合，制备了Ti 3 C 2 T x MXene-半纤维素（MXene-hemi）复合薄膜材料，抗拉强度较复合前提升6.6倍，显著增强了其在海水淡化、油水分离和工业废水处理等领域应用的性能。
1.3 电学性质
理论计算表明，MXene呈现出独特的类金属-半导体混合电学特性，这与其化学组成及表面官能团类型存在相关性。具体而言，当MXene表面未引入终端基团，其表现出典型的金属导电特性；而经过表面功能化处理的MXene（如Sc 2 CF 2 、Sc 2 C(OH) 2 、Sc 2 CO 2 、Ti 2 CO 2 和Zr 2 CO 2 ）膜，则展现出半导体特性 [34] 。部分含有重金属（如Cr、Mo和W）的MXene膜被预测为拓扑绝缘体 [35] 。
MXene膜的导电性能不仅与其化学组成相关，还受到制备方法的影响。采用HCl和LiF协同刻蚀及真空抽滤技术合成的Ti 3 C 2 T x 薄膜，电导率达到4600 S/cm [36] ；采用喷涂工艺制备的纳米级厚度Ti 3 C 2 T X 薄膜，电导率达到6500 S/cm [37] ，较传统溶液剥离法制备的二维材料（如石墨烯）具有显著优势。MXene膜的导电性能还与其薄片质量密切相关，温和的刻蚀条件有助于获得缺陷更少、单片面积更大的MXene薄片，从而进一步组装成具有更高导电性能的薄膜 [38] 。同时，通过优化MXene纳米片层的共面取向与接触状态 [39] ，并保证彻底干燥以缩减层间距离 [31] ，可显著提升材料的导电性。对MXene进行合成后处理或与其他材料复合，能够进一步提升其导电性。例如，高温处理后的Ti 3 C 2 电导率提升了近3倍 [33] ，将MXene与PVA [31] 、聚二甲基硅氧烷（PDMS） [40] 、聚吡咯 [41] 等聚合物复合，可同步增强其机械性能、热力学稳定性和电化学活性。ZHAO等 [42] 将MXene与碳纳米管（CNT）、洋葱碳（OLC）及还原氧化石墨烯（rGO）复合，组装成无基底复合薄膜，获得了良好的导电性及机械性能。优选的MXene膜凭借其独特的电学性能，在电子器件、能源存储与转换、电磁干扰屏蔽、纳滤膜与分离技术，以及光学涂层与光电等领域展现出广阔应用前景。
1.4 其他特性
MXene膜展现出多方面的优异性能，应用前景广阔。在光学领域，其在可见光至近红外波段呈现表面等离子体共振现象，透射和反射时颜色不同。例如，Ti 3 C 2 T x 透射呈翠绿色、反射显紫色，特征吸收峰位于1.6 eV处 [43] ，其光电性能可通过化学修饰和阳离子插层实现精准调控 [38] 。DILLON等 [39] 制备的Ti 3 C 2 T x 膜可见光透过率超过97%，光照下还能局部加热增强机械性能和稳定性 [44] ，在透明导电涂层和光电领域中应用潜力巨大。在生物医学领域，MXene抑菌效果显著，Ti 3 C 2 T x 对大肠杆菌和枯草杆菌抑菌效果明显，在200 μg/mL Ti 3 C 2 T x 溶液中暴露4 h，超98%细菌被抑制 [45] 。这源于其锋利边缘和丰富表面末端结构破坏细菌膜，及产生活性氧（ROS）化学灭活细菌，在伤口敷料、水净化膜等领域应用前景广阔。在电磁屏蔽领域，MXene膜能吸收和反射电磁波，其独特的层状结构增强了电磁波衰减效果，与其他材料复合可进一步提升性能，结合其优异机械性能（柔韧性和高杨氏模量等），可制备超薄电磁屏蔽材料，适用于电子设备、通信和航空航天等领域。
作为新兴的二维无机化合物，MXene凭借其独特的层状结构、丰富的组成，以及良好的物理化学特性，在材料科学中展现出巨大的研究价值和应用潜力。MXene膜良好的稳定性、机械性能、电学性质及其他特性，为其在电子器件、能源存储与转换、电磁干扰屏蔽、纳滤膜与分离技术、光学涂层与光电、生物医学，以及航空航天等领域的应用提供了重要支撑。MXene膜凭借其独特的层状结构和表面特性，在气体分离与捕集、离子筛分、水处理和溶剂纯化等领域展现出应用潜力，本文综述了相关应用研究进展，旨在为MXene膜的研究与应用拓展新的思路。
2MXene膜在分离与净化领域的应用
2.1 气体分离与捕集
基于二维材料构筑的膜，因具有数量充足且尺寸均匀的纳米通道，有望突破气体分离中渗透性与选择性权衡的限制，成为高效气体分离膜的理想选择。DING等 [46] 采用共蚀刻后剥落的方法得到单层MXene纳米片，并以此作为基本单元构建了片间距约0.35 nm、有序堆叠二维材料膜（ 图3 ）。结果表明，制备的膜在气体分离中展现出较好性能，H 2 渗透率超过2200 Barrer，H 2 与CO 2 选择性分离系数超过160。这一优异的分离性能主要归因于MXene膜内规则有序的亚纳米通道结构。然而，二维材料膜在随机堆叠时，相邻纳米片间易形成无序的层间纳米通道或缺陷孔隙，影响气体分离效率。
▲ 图3 膜中相邻MXene纳米片间距示意图[46]
除将MXene纳米片直接堆叠成膜外，LIU等 [47] 还将MXene纳米片掺入聚醚嵌段聚酰胺（Pebax）聚合物基体中，制备了混合基质膜（MMM）（ 图4 ）。该混合基质膜展现出较好气体分离性能，当MXene负载量（质量分数）增大至0.15%，CO 2 的渗透率和选择性分别提高了81%和73%。MXene纳米片以其超薄厚度和微米级横向尺寸，为薄膜提供了丰富传质通道，有效促进了气体传输。结果表明，该混合基质膜的CO 2 透过率和CO 2 /N 2 选择性均得到提高，其中CO 2 渗透率可达21.6 GPU，CO 2 /N 2 选择性可达72.5，相比其他Pebax-MMMs，MXene/Pebax-MMMs表现出更佳的分离性能，有望作为CO 2 捕集的优异分离膜材料。
▲ 图4 Pebax基体与MXene纳米片混合基质膜示意图[47]
通过调整中空纤维膜内部二维纳米片的堆积效率，调控膜内层间距，可以选择性分离气体分子。QU等 [48] 采用热交联法制备了自交联MXene/氧化钇稳定氧化锆（SM/YSZ）中空纤维膜，120 h内该膜H 2 渗透率为70.6 GPU，H 2 /CO 2 选择性为30.3，展现出优异的H 2 /CO 2 分离性能。自交联MXene中空纤维膜用于H 2 /CO 2 分离示意图见 图5 。当膜厚度调控为220 nm，H 2 渗透率保持在70.6 GPU，H 2 /CO 2 选择性提高至30.3。相比其他MOF膜、混合基质膜和聚合物膜，MXene中空纤维膜展现出更加出色的气体分离性能。
▲ 图5 自交联MXene中空纤维膜用于H2/CO2分离示意图[48]
MXene膜具有耐高温稳定性，可用于分离高温工业气体混合物。FAN等 [49] 首次报道了一种能够在高温条件下长期稳定运行的MXene膜（ 图6 ）。在320 ℃的高温环境下，该膜H 2 渗透性能达2.0 × 10 -7 mol/(m 2 ·s·Pa)，H 2 /N 2 混合物选择性能达41。在200 h以上的连续测试中，H 2 渗透率和H 2 /N 2 混合物选择性均保持稳定。该结果表明，MXene膜有望作为高温气体分离的一种优秀膜材料。然而，继续升高温度，膜对H 2 /N 2 的选择性开始降低。开发高温下具有较好稳定层叠结构的MXene膜，是实现高温下高选择性的关键。
DMSO为二甲基亚砜；AAO为阳极氧化铝。
▲ 图6 MXene/AAO复合膜制备路线(a)和二维材料膜在AAO模板上用于H2/N2分离示意图(b)[49]
经表面改性和结构优化后，MXene膜气体分离与捕集性能显著提升。然而，MXene膜在气体分离与捕集方面的研究尚处于初级阶段，需进一步探索材料结构、制备工艺与MXene膜性能间的构效关系，发掘其潜力以扩大应用范围 [50] 。材料稳定性不足，需通过表面钝化或复合保护体系提升抗氧化性及耐环境侵蚀性能。复合材料协同机制不明，MXene与多孔材料/聚合物的界面作用，以及气体传输调控规律尚待解析。层状MXene纳米晶体的重堆叠趋势限制了其在吸附领域的应用潜力，需要开发具有高度有序纳米通道结构的层状膜，以实现高效的气体分离。
2.2 离子筛分
2015年，研究者首次探索了MXene膜的离子筛分性能，分离溶液中离子，为其开辟了新的应用途径。REN等 [51] 采用真空辅助抽滤法，制备了纳米通道直径为6.4 Å（1 Å = 0.1 nm）的MXene膜，该膜展示出选择性渗透单价和多价金属离子的性能，渗透速率由大到小依次为Na + 、Li + 、K + 、Ca 2+ 、Ni 2+ 、Mg 2+ 和Al 3+ 。由于水分子倾向插层于相邻MXene纳米片之间，导致明显溶胀效应，因此膜对离子的截留性能并不理想。针对该问题，DING等 [52] 通过精确控制浓度扩散，将Al 3+ 引入MXene片层间形成Al—O键，通过增强片层间相互作用抑制溶胀，提高了膜在水中的离子截留性能，为MXene膜在离子筛分中的应用奠定了基础。
MXene膜在离子筛分中的应用已取得一定突破（ 图7 ） [ 53-54] 。如MENG等 [53] 提出了一种新型的表面带电的MXene（SC-MXene）海水淡化膜。在MXene膜表面涂覆聚电解质使其带电，不仅显著增强了膜的亲水性，而且有效调控了其表面电荷（ 图7 (a)）。通过结合静电相互作用与尺寸筛分的双重机制，SC-MXene膜在纳滤和正渗透过程中均展现出了优异的金属离子去除效率和水渗透性能，在海水淡化领域具有广阔的应用前景。
▲ 图7 SC-MXene膜在海水淡化中的应用机理(a)[53]、MXene/PVDF膜的反应和离子传输机理(b)和MXene/PVDF膜组装及其离子筛分机理（(c)~(e)）[54]
热交联改性则为MXene膜在重金属离子分离中的应用提供了更高效的解决方案。SUN等 [55] 以管状 α -Al 2 O 3 作为多孔载体，通过改变热处理温度有效调节了MXene膜相邻纳米片间的距离。经过热处理的MXene膜不仅具有良好的耐溶胀性能，而且能够精确调控离子筛分过程，实现对特定离子的高截留率和优异耐溶胀性能，为高效离子筛分和脱盐提供了新途径。
在废水处理领域，MXene膜的功能化改性进一步提升了其实用性。FAN等 [54] 通过施加外部电压，有效地调控抗溶胀MXene膜对重金属离子Pb 2+ 的截留性能（ 图7 (b)~ 图7 (e)）。YANG等 [56] 采用Fe 3 O 4 纳米颗粒（NPs）和二维MXene纳米片，通过真空过滤法制备了Fe 3 O 4 @MXene/CA复合纳滤膜（ 图8 ）。Fe 3 O 4 NPs的引入不仅增大了MXene膜的纯水通量，还实现了对重金属离子的高效去除。溶液中重金属离子Cu 2+ 、Cd 2+ 和Cr 6+ 的去除率分别达到约63.2%、64.1%和70.2%。MXene膜在离子筛分中展现了巨大应用潜力。
PEG为聚乙二醇；EG为乙二醇。
▲ 图8 Fe3O4@MXene/CA复合纳滤膜制备示意图[56]
MXene膜作为新型二维材料在离子筛分领域具有独特优势，但在实际应用中仍面临多重挑战。材料结构稳定性方面，MXene膜在潮湿环境中易氧化降解，且层间间距尚未实现精确控制，原子级缺陷显著影响分离选择性 [57] 。理论模型构建方面，对于离子传输机制的关键参数，现有研究缺乏系统量化分析，减弱了对材料设计的理论指导；工程化应用方面，在反渗透、电渗析等主流膜分离工艺中，MXene膜缺乏成熟应用案例 [58] ，且其产业化面临能耗高、强蚀刻剂污染，以及原料成本高等问题。未来，需在基础理论创新、制备工艺优化以及工程应用验证等方面开展系统研究，推动MXene膜从实验室研究向产业化应用转化。
2.3 水体净化
通过尺寸排除、电荷效应和纳米限制效应等机制，MXene膜可以有效去除水中细菌、抗生素、油污以及染料等有害物质 [59] 。去除细菌方面，PANDEY等 [60] 制备了负载银纳米颗粒的Ag@MXene膜，发现该膜表现出较高的有机分子截留效率和出色的通量恢复能力，对革兰氏阴性细菌具有高达99%的去除率。抗生素在环境中的累积是一项全球性问题。为应对这一挑战，SUN等 [61] 制备了层间距为1.36 nm的无机-有机杂化MXene膜，发现因该膜较大的横向尺寸、规则的层间距，以及膜与抗生素之间的静电相互作用，将其用于净化水中含抗生素时，该膜的渗透性比其他二维纳滤膜提高了100倍。LI等 [62] 利用横向尺寸2~4 μm的大尺寸MXene纳米片构建膜，实现了水溶性和醇溶性两类共7种典型抗生素在水和乙醇溶液中的高效分离。MXene膜可用于含油废水净化，IMSONG等 [63] 设计了CuO@MXene-PAN纳米纤维膜，凭借独特的纳米结构，以及超润湿、光热响应等综合性能，在处理复杂含油废水中应用潜力显著。MXene与其他纳米材料（如ZIF-8）复合，可提升其吸附性能和稳定性，MXene/ZIF-8复合材料去除水中有机污染物性能优异 [64] 。染料去除方面，DING等 [65] 首次报道了将MXene膜应用于水净化过程以去除染料纳米颗粒物，通过在MXene纳米片层间插入Fe(OH) 3 胶体颗粒扩展纳米通道，显著提高了MXene膜的水通量，并保持了其对不同染料纳米粒子的高效截留性能。
MXene膜用于水净化处理领域，多采用Ti 3 C 2 T x 型MXene，其他潜在的具有多样特性的MXene膜尚未被充分开发，限制了材料性能的优化空间 [66] 。多孔化MXene纳米片的制备仍是技术难点，需精准调控孔隙率与孔径分布。工业化应用方面，实现MXene膜的连续化生产，并保持大面积膜的均匀性和机械稳定性，是当前面临的主要挑战 [67] 。应用方面，MXene膜在复杂水体环境中的长期稳定性，以及与现有膜组件的适配性也有待提升 [68] 。总体而言，MXene膜在水净化处理领域具有应用潜力，但存在合成、制备及规模化等方面的挑战，并需关注其应用扩展与稳定性。
2.4 有机溶剂纯化
有机溶剂纳滤（OSN）是一项新兴膜技术，具有保留或去除有机溶剂中纳米分子的能力。OSN也是一种低能耗的可持续分离膜技术。OSN可以抵抗重污染水体，也可以用于酸碱中。MXene复合膜对甲苯、异丙醇、庚烷和乙酸乙酯等溶剂的亲和范围不同，对—COOR、—NH 2 、—C 12 H 26 和—C 6 H 6 等官能团的渗透通量也不同。研究表明，与极性溶剂（乙酸乙酯和异丙醇）相比，非极性溶剂（甲苯和正庚烷）的渗透通量更高 [69] 。WU等 [40] 将MXene与亲水性聚乙烯亚胺（PEI）和疏水性聚二甲硅氧烷两种传统聚合物基质结合，有效拓展了其在有机溶剂纳滤中的应用。PEI基膜和PDMS基膜的异丙醇通量分别提高了30%和162%，解决了MXene纳米片对非极性或弱极性溶剂亲和力较差的问题。LI等 [70] 利用共组装技术制备了有机多巴微胶囊杂化膜，发现该膜的甲醇通量达723 L/(m 2 ·h·bar)（1 bar = 0.1 MPa），对活性黑截留率超过90%。SHEN等 [71] 基于富里酸钾分散的MXene混合基质膜，显著提升了乙醇渗透性，同时保持了较高溶质排斥率。LIU等 [72] 通过聚电解质聚二烯丙基二甲基氯化铵（PDDA）与MXene纳米片间的静电引力，缩小了层间距，制备了PDDA功能化MXene膜（ 图9 ），在50 ℃下对90%（质量分数）异丙醇/水总通量可达1237 g/(m 2 ·h)，分离因子可达932。可见，MXene膜在有机溶剂纯化领域具有较大应用潜力。
PAH为聚烯丙基胺盐酸盐。
▲ 图9 MXene-PDDA复合膜在异丙醇脱水中的应用及其通过聚电解质功能化的示意图[72]
如同在其他领域，MXene膜在有机溶剂纯化中的应用也面临诸多挑战。具体而言，其层间结构设计需进一步优化，同时还存在抗氧化稳定性欠佳，生产成本居高不下，理论设计支撑不足，规模化生产实现困难等问题。值得关注的是，传统MXene膜合成过程使用的蚀刻剂氟化物，易对环境造成污染，这制约了MXene膜的可持续发展 [73] 。
3结语与展望
MXene膜凭借其超薄特性和优异的分子筛分性能，突破了传统膜分离技术中渗透性与选择性相互制约的局限，展现出作为分离材料的潜力。MXene膜具有独特物理化学性质，包括规则的亚纳米通道、弱稳定性、良好的机械性能、独特的光电学性质、优异的抑菌性和磁性等，根据分离场景可以定向组装适配的功能性基团，为其在多个领域中的应用提供了支撑。气体分离方面，MXene膜内部规则有序的亚纳米通道结构，使其在分离H 2 /CO 2 、H 2 /N 2 和CO 2 /N 2 等气体中表现出色，可应用于高温工业重整H 2 的分离，还在CO 2 捕集中展现较好性能。离子筛分方面，通过优化制备方案、调控纳米层间距和调整表面电荷等，实现了对特定离子的高效截留和选择性透过。水处理方面，通过复合催化剂与膜材料、无机-有机杂化、插层胶体颗粒等手段，对MXene膜进行组装与优化，进一步拓展了其在药物分离纯化、含油污水处理、有机污水处理和医疗废水处理等高附加值领域中的应用。溶剂纯化方面，通过与亲水性和疏水性聚合物基质结合，显著提高了有机溶剂的通量和溶质的截留率。MXene膜在实际应用中还面临若干问题：材料易氧化导致稳定性不足，层间距调控技术尚处实验室阶段，复杂环境（尤其是水相体系）中易发生溶胀现象，复合材料界面兼容性问题突出。此外，高制备成本制约了其产业化进程，环境安全性评估体系也有待完善。
针对上述问题，未来研究应重点聚焦：（1）通过表面改性提升抗氧化性，如开发表面钝化与封装协同改性技术，构建抗氧化-机械稳定性协同提升体系；（2）开发层间距精准调控技术，如建立跨尺度（原子级至微米级）层间距动态调控策略，结合机器学习优化气体/分子筛分选择性；（3）构建抗溶胀结构，如设计仿生限域通道结构或引入刚性支撑骨架，抑制水分子渗透引起的层间膨胀；（4）优化复合材料的界面结合工艺，开发界面化学键合与梯度复合工艺，解决异质材料相容性难题；（5）开发低成本规模化制备技术，如探索绿色还原剂与连续化沉积技术，推动生产成本显著降低；（6）建立完整的环境安全评估标准，建立全生命周期环境行为数据库，制定标准化生态安全评估协议。通过制备工艺优化和多维度技术耦合创新，MXene膜有望实现性能突破，在分离领域得到高效、广泛地应用。
DOI：10.12434/j.issn.2097-2547.20250109
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