第一作者：黄美荣

通讯作者：马杰

通讯单位：同济大学/喀什大学

论文DOI：10.1021/acsmaterialslett.4c02160

图1

研究背景

随着全球人口不断增长和水污染问题日益严重，淡水资源短缺已成为21世纪的一项重大挑战。为了解决水资源短缺问题，近年来人们尝试了多种海水淡化方法，如反渗透（RO）和多级闪蒸（MSF）。虽然这些传统技术在一定程度上能够实现水质改善，但它们通常需要昂贵的设备维护，并可能引发二次环境污染。因此，学界和工业界正逐步转向寻求更加节能、经济、操作简便且环境友好的新型海水淡化技术。

在这一背景下，电容去离子（CDI）技术作为一种新兴的水处理方法展现出巨大潜力。CDI技术因其低能耗、易操作、可重复使用和环境友好的特点而受到关注，并已在水淡化、水净化、资源回收、水消毒、能量采集以及CO₂捕集等领域得到应用。从20世纪60年代最早提出电化学去离子的概念，到1990年代碳气凝胶的应用，再到近年来碳纳米管和石墨烯等先进碳材料的使用，CDI技术的性能不断提升。

与此同时，MXenes因其优异的机械、磁性、电子和化学性能在环境领域引起了广泛关注。MXenes不仅具有高亲水性和丰富的表面活性功能位点，能够有效吸附各类分子和离子，还因其出色的导电性、大比表面积和多功能特性，成为提高CDI电极性能的重要候选材料。近年来，关于MXenes在环境应用方面的研究迅速增加，特别是在水处理和电极材料领域展现出显著的应用前景。

尽管相关研究文献日益增多，但关于MXenes在CDI技术中应用的高质量综述仍较缺乏。因此，本研究旨在系统总结MXenes（特别是Ti₃C₂Tₓ）的独特物理化学特性、制备方法及其在CDI中的应用，探讨其在实际水处理过程中的优势与挑战，并对未来高效合成及应用MXenes以应对全球水资源短缺提出展望。

内容简介

本研究主要探讨利用MXenes材料在电容去离子（CDI）技术中的应用，以应对全球日益严重的淡水短缺问题。文章首先回顾了传统海水淡化技术（如反渗透和多级闪蒸）在高能耗、设备维护昂贵以及可能引起二次环境污染等方面的局限性，进而引出了CDI技术作为一种低能耗、环境友好型替代方案的研究背景。

文章回顾了CDI技术从最初的电化学去离子概念，到碳气凝胶、碳纳米管和石墨烯等先进碳材料的应用演进过程，详细阐述了其在水淡化、离子分离及资源回收等领域中的优势与潜力。 重点介绍了MXenes（尤其是Ti₃C₂Tₓ）的优异物理化学性质，如高导电性、大比表面积和丰富的功能基团，这些特性使其在吸附重金属、放射性核素及其他污染物方面表现出色。同时，MXenes在提高CDI电极性能方面也展现出明显优势，其层间离子嵌入能力进一步提升了去离子效率。通过对近几年相关文献的统计和趋势分析，文章指出了环境领域内针对MXenes研究的迅速增长，并强调了目前尚缺乏关于MXenes在CDI中应用的高质量综述。本研究不仅总结了MXenes的制备方法及其在CDI中的应用效果，同时也分析了制备过程中存在的技术挑战与限制，并探讨了未来在提高合成效率、拓宽应用范围以及实现环境友好型水处理等方面的潜在研究方向。总体而言，本文旨在系统总结MXenes在CDI技术中的应用现状、优势、挑战及未来发展趋势，为高效、可持续的水处理技术提供理论支持和实践指导。

图文导读

图1. (a) 2016年至2024年间关于MXenes及其环境应用的发表数量；(b) 不同类型的分布情况。数据通过Web of Science获得，检索条件为((主题 = MXene) 且 (主题 = Adsorption 或 Membrane, Capacitive deionization, Catalytic, Catalysis)) 或 ((主题 = MXene) 且 (主题 = Wastewater 或 Degradation, Pollutant))；(c) 代表性11个关键词的共引文献聚类视图；(d) 2016年至2024年的时间线相关性。

图 2 (a) 单层和双层膜的弹性刚度直方图，实线表示数据的高斯拟合；(b)不同Ti₃C₂Tₓ/BC复合膜（0至100 wt%）的典型应力-变形曲线；(c) 厚度为 71 μm 的 ANF@MXene 导电纤维可承受 200 g 的重量，并在弯曲状态下以 1.8 V 点亮 12 cm 长的 LED；(d, f, g) Ti₃C₂Tₓ/BC复合膜柔韧性展示的数码照片；(e) Ti₃C₂Tₓ/BC复合膜优异韧性的数码照片；(h) d-Ti₃C₂Tₓ/ANF复合纸的典型应力-应变曲线；(i) d-Ti₃C₂Tₓ/ANF复合纸的抗拉强度和断裂伸长率；(j) MXene/BC-5 薄膜和纯 MXene 薄膜的应力-扭转曲线；(k) 宽度 7 mm 的薄膜承受 500 g 载荷，约为 MXene/BC-5 薄膜自身重量的 30,000 倍；(l-o) 自支撑 MXene/BC-5 薄膜在弯曲、卷曲、折叠及重复操作后的实物图；(p)柔性自支撑Ti₃C₂Tₓ/PVA薄膜的应力-变形曲线；(q) 自支撑薄膜承受约 15,000 倍自身重量的数码照片；(r) 纸鹤作为 LED 照明导体的照片；(s) 质量比从 5:1 到 0.75:1 的 MXene/BC 复合纸与纯 MXene 纸的典型应力-变形曲线。

图3(a) S-Ti₃C₂Tₓ/PANI/F-Ti₃C₂Tₓ的合成流程示意图；(b) EDLC 的储存容量及电极的离子嵌入情况；(c) 不同样品的 XRD 图谱；(d) NaOH-Ti₃C₂Tₓ的合成过程示意图；(e)非对称CDI电池(AC // NaOH-Ti₃C₂Tₓ)的示意图；(f)在100 mg L⁻¹ NaCl溶液中，AC // NaOH-Ti₃C₂Tₓ、AC // Ti₃C₂Tₓ和AC // AC的电导率曲线。

图4(a) AS-Ti₃C₂复合材料的合成路线示意图；(b) Ti₃C₂Tₓ和EDA-Ti₃C₂Tₓ中水合电解质离子的电荷存储示意图；(c) MXene-DC 的制备过程示意图；(d) MXene-DC/KCl 的电荷存储机制示意图；(e) MXene Ti₃C₂Tₓ的湿化学和等离子体改性示意图。

图5(a) N-Ti₃C₂Tₓ MXene片的合成及其在CDI电极中的应用；(b) 硫掺杂 MXene 的制备过程示意图，以及在多硫化物穿梭过程中硫掺杂 MXene 正极加速和最小化钠基放电的作用；(c) N、S共掺杂V₂CₓTₓ MXene的合成工艺示意图；(d)钒掺杂Ti₃C₂Tₓ MXene纳米片的水热制备过程及其相应的SEM图像。

图6(a) N掺杂Ti₃C₂Tₓ互联多孔结构的制备工艺示意图；(b) 3D-Ti₃C₂Tₓ薄膜和气凝胶的合成工艺示意图；(c)用于制备3D Ti₃C₂Tₓ气凝胶的3DFP工艺示意图；(d) 3D 打印金属茂气凝胶，不同形状且具有恒定横截面的实物照片；(e) 3D 打印超轻气凝胶的实物照片，展示其能够支撑花朵的特性；(f) 具有悬臂格子结构的 MXene 3D 。

图7(a) HCDI 单元工作原理示意图及这种 N 掺杂 MXene 互联球壳作为脱盐电极的典型潜在优势；(b) 不同扫描速率下 N-3DM-S 与对照样品（N-3DM-L 和 3DM-S）的比体积变化趋势；(c)在初始浓度为5000 mg L⁻¹条件下，不同电压下N-3DM-S、N-3DM-L和3DM-S电极的SEC比较；(d)独立Ti₃C₂Tₓ膜；(e)独立Ti₃C₂Tₓ膜横截面的SEM图像；(f) 不同电流密度下的 Nyquist 图；(g) 不同电压窗口下的能耗和能量回收率；(h) mPDA/MXene基CDI工艺电极在材料IAC（Na⁺）中表现出的抗氧化性、高面内电导率及Na⁺离子选择性；(j) mPDA/MXene 与 MXene 在 500 ppm (8.55 mM) NaCl 溶液中的循环性能；插图为 mPDA/MXene 在 CDI 循环后的 TEM 图像；(k) MXene 膜的 SEM 图像；(l)不同电压下MXene与MXene/NiHCF膜的脱盐容量（500 mg L⁻¹）；(m) 与 MXene 相关的材料.

总结与展望

在 MXene 应用于电容去离子（CDI）技术的背景下，要充分发挥其潜力，还需克服多个关键技术挑战。首先，氧化问题仍然是 MXene 面临的重要挑战。尽管 MXene 在 CDI 领域表现优异，但氧化会导致其电化学性能下降，改变其化学结构并增加层间距，从而直接影响其体积性能。为延长材料寿命并维持高效性能，必须采取表面改性和保护涂层等策略来抑制氧化。其次，体积膨胀问题影响 MXene 的长期稳定性。在循环使用过程中，MXene 由于层间距的膨胀和结构变化，可能会导致结构完整性受损，进而降低电化学性能并缩短电极的循环寿命。因此，未来的研究应重点优化 MXene 的合成工艺，并采用保护策略来稳定其结构，以确保其在 CDI 系统中的长期稳定运行。第三，MXene 的规模化生产仍然是一个重大难题。目前，MXene 主要是在实验室规模下合成，这限制了其在大规模 CDI 系统中的应用。为了使 MXene 在环境治理领域具备商业可行性，需要改进合成技术，开发更具成本效益的生产方法，以实现高质量、大批量的 MXene 生产。

除了这些技术挑战之外，MXene 在新兴污染物去除方面展现了巨大的研究潜力。诸如药物、个人护理产品、内分泌干扰物和微塑料等污染物因其环境持久性及潜在健康危害而受到越来越多的关注。MXene 具有较大的比表面积、可调控的化学特性以及与多种污染物相互作用的能力，使其成为应对这些环境威胁的理想材料。将 CDI 技术与 MXene 相结合，可以提供更高效的污染物去除策略，改善水质并减少环境影响。展望未来，便携式和柔性 CDI 系统的需求日益增长，尤其是在自然灾害或人道主义危机等紧急情况下。此类系统的适应性和可移动性对于为偏远或受灾地区提供清洁水源至关重要。研究利用 MXene 开发便携式 CDI 设备，有望革新应急响应体系，实现现场高效、灵活的水处理。总的来说，MXene 在 CDI 技术中的未来发展前景广阔，但仍需克服材料稳定性、大规模生产及其在便携式水处理系统中的集成等挑战。针对这些领域的持续研究，预计将推动 CDI 在环境应用方面取得重大突破，解决传统及新兴的水污染问题。

https://doi.org/10.1021/acsmaterialslett.4c02160