利用膜分離技術將海水中的鹽離子濾出以獲取可飲用的低鹽度淡水，是緩解當今飲用水資源緊缺的有效方法之一。分離膜中的微孔允許水分子通過，但阻隔離子，從而達到脫鹽目的。然而膜易於水中溶脹，致使孔徑增大，減弱對離子的阻隔作用，損害膜的去離子性能。
近日，華南理工大學王海輝教授課題組聯合德國漢諾威大學Jürgen Caro教授課題組，展示了一種利用Al3+插層抑制層狀二維碳化鈦（Ti3C2Tx，一種MXene材料）膜在水中溶脹的策略。相關研究成果已於Nature Sustainability上發表。
作者們利用濃差擴散過程實現Al3+插層Ti3C2Tx。通過將抽濾Ti3C2Tx分散液形成的膜夾在一個U型管中間，並在一側加入50 mL 0.2 M AlCl3水溶液，另一側加入同體積的去離子水，靜置約40 h後，Al3+可擴散入Ti3C2Tx層間（圖1a）。插層的Al3+與Ti3C2Tx表面的氧原子形成Al—O鍵，牢固鎖住Ti3C2Tx各層。另外，所製備的Al3+-Ti3C2Tx膜附著在聚醚碸（PES）膜上，柔性好（圖1b、c）。元素分析表明Al3+被成功引入Ti3C2Tx層間（圖1d）。
圖1.Al3+-Ti3C2Tx材料表徵。（a）Al3+插層Ti3C2Tx過程示意圖；插圖：Al3+插層操作裝置示意圖（b-d）Al3+-Ti3C2Tx薄膜實物圖（b)、截面形貌（插圖：Ti3C2Tx層狀形貌）（c）及元素分佈（d）。標尺：（c）5 µm，插圖：500 nm；（d）2 nm。圖源：Nature Sustainability。
Al3+-Ti3C2Tx膜在水溶液中溶脹程度小。X射線衍射測試表明，原始Ti3C2Tx膜在純水或常見氯化鹽水溶液中浸泡後，層間距從13.5±0.1 Å增大至16.5±0.5 Å（圖2a）。而Al3+-Ti3C2Tx膜在相同浸泡條件下層間距從14.7±0.1 Å小幅增至15.1±0.2 Å（圖2b）。溶脹程度減小得益於位於層間的Al3+對Ti3C2Tx各層的鎖定作用。
圖2.（a）Ti3C2Tx和（b）Al3+-Ti3C2Tx膜在多種水溶液中浸泡後層間距變化。圖源：Nature Sustainability。
得益於減弱的溶脹程度，Al3+-Ti3C2Tx膜展現出比Ti3C2Tx膜更高的離子脫除性能。Al3+-Ti3C2Tx膜在合成海水中對四種主要陽離子的滲透速率均比Ti3C2Tx膜小近1-2個數量級（圖3a），一價陽離子脫除率高近一倍，二價陽離子脫除率高~20%（圖3b）。Al3+-Ti3C2Tx膜的NaCl脫除率高達89.5%-99.6%，水滲透率快 [~1.1-8.5 L/(m2 h)]，且性能在400小時內無明顯衰減。
圖3. Ti3C2Tx和Al3+-Ti3C2Tx膜離子脫除性能。海水中四種主要陽離子的（a）滲透速率及（b）脫除率。合成海水中鹽溶液濃度：0.0093 M KCl，0.42 M NaCl，0.029 M Na2SO4，0.011 M CaCl2，0.056 M MgCl2。圖源：Nature Sustainability。
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