二维MXene纳米通道膜的制备及分离性能

水资源短缺是制约社会和工业发展的关键挑战之一,二维(2D)纳米材料构筑的分离膜在水处理领域表现出潜在的应用前景,具有良好的分离性能和可调控的微结构.为了解决二维材料膜存在的制备困难和易溶胀等问题,本研究以多孔氧化铝(Al_(2)O_(3))为载体,利用真空抽滤技术引入孔径为0.34μm的改性碳纳米管(CNTs)过渡层,为膜层制备提供更多结合位点和静电结合力,在此过渡层上采用真空抽滤-热交联(180℃)技术制备出了二维MXene(Ti_(3)C_(2)T_(x))材料分离膜,尽管热交联降低了纳米通道尺寸和渗透性,但提高了抗溶胀性.所制备MX-180膜纳米通道尺寸为5.0A,在0.1至0.5 MPa压力下的纳滤测试中,MXene膜的纯水渗透量为8.3±2.5L/(m^(2)·h·MPa),对KCl、NaCl、MgCl_(2)和四环素截留率达到67.87%、79.99%、85.66%和91.34%,具有良好的分离性能和抗溶胀稳定性.

多孔通道结构纳米纤维膜的制备及油水分离性能

通过静电纺丝制备以聚丙烯腈(polyacrylonitrile,PAN)/聚乙烯吡咯烷酮(polyvinylpyrrolidone,PVP)为壳,PVP/纤维素纳米晶体(cellulose nanocrystal,CNC)为核的Janus结构纳米纤维膜,并利用绿色的水刻蚀法获得用于油水分离的多孔通道结构纳米纤维膜。结果表明,多孔通道结构增加了纳米纤维内部的储水空间,提供了额外的水分渗透路径,赋予了纳米纤维膜优异的亲水性和水下超疏油性。纳米纤维膜的孔隙率从54%提升至83%,水下油接触角从134°提升至164°,水通量从731 L/(m^(2)·h)提升至3344 L/(m^(2)·h)。纳米纤维膜对水包正己烷乳液的渗透通量高达1985 L/(m^(2)·h),滤液中的TOC含量低于50 mg/L,表明其油水分离效果较好。这种多孔通道结构纳米纤维膜的设计理念为开发油水分离膜提供了一种绿色的制造思路。

先进CO_(2)分离膜中纳米通道的构建及调控进展

从不同维度的CO_(2)传递纳米通道出发,综述了先进CO_(2)分离膜中纳米通道的构建与调控策略,讨论了纳米通道对CO_(2)分离性能的影响。最后,对CO_(2)分离膜中纳米通道的发展方向进行了总结与展望。

可用于水处理的离子选择性纳米离子通道研究进展

选择性离子去除作为一种新兴的水处理方法,已被用于废水中的养分回收、水的软化、从盐水提取关键矿物质以及工业废水的利用等水处理领域。生物离子通道具有高效的单离子选择性,在过去的20 a里,纳米级和亚纳米级离子通道都被成功制备出来以模拟生物离子通道。主要介绍了天然离子通道的概念和理论框架,综述了目前纳米离子通道膜的材料与制备方法,总结了典型水污染离子的纳米离子通道选择性及优缺点和研究方向。单/多价离子之间的离子大小、电荷和亲疏水差异可测量,因此构建单/多价之间的离子选择性通道的基础是通道尺寸、表面电荷和亲疏水性的调节。而单价离子间尺寸差异并不显著,因此,特异性离子结合相互作用被引入到亚1 nm通道中以实现单离子选择性。分析了理想的纳米离子通道如何构建,提出目标离子选择性通常取决于通道的物理和化学性质,包括孔径、通道维度、表面电荷、功能位点和通道壁极性等,通过改变或优化这几种因素,可以提高膜对于目标离子的选择性分离。最后,对未来将膜技术与纳米离子通道结合以实现离子选择性去除进行了展望。

清华大学王海辉/丁力团队最新Angew——MXene液晶剪切诱导的分离膜用于单价离子筛分

【研究简介】离子选择性膜在各种化学和生理过程中至关重要.单价离子因具有相同的化合价和相似的半径,因此分离它们仍极具挑战.在此,报告了一种具有超有序排列的纳米通道的二维膜,可实现超高单价离子选择性.通过对液晶(LC-MXene)施加剪切力,使得纳米片实现高度有序的堆叠,制备而得液晶MXene膜(LCMM).LCMM可快速传输Li^(+),渗透速率约为0.35 mol/(m^(2)·h),且Li^(+)/Na^(+),Li^(+)/K^(+),和Li^(+)/Rb^(+)的选择性分别高达~45,~49,和~59.理论计算表明,在MXene纳米通道中,水合锂离子的直径最小,有助于实现最高的迁移率.此外,水合锂离子与MXene纳米通道的相互作用最弱,这也有助于锂离子通过有序排列的MXene通道来实现超快传输.

面向水处理应用的二维MXene膜研究进展

MXene纳米片材料因其二维结构特性和丰富的表面基团而受到广泛关注。MXene纳米片组装成的二维层状膜,通过尺寸筛分效应和静电相互作用可实现溶液中小分子和离子等分离,在水处理领域有着巨大的应用潜力。然而,二维层状MXene膜仍然面临着严峻的挑战,如低稳定性、高内阻、水环境中易溶胀等,导致分离性能不理想。本文以层状MXene膜的分离机理为出发点,重点介绍了目前改善层状MXene膜分离性能的方法及研究进展,并对二维MXene膜水处理应用发展进行展望,期望对基于MXene膜的精密构筑和设计高性能分离膜提供有益参考。

基于Au纳米通道膜分离测定芦丁

采用化学沉积法将Au沉积到聚碳酸酯滤膜(PC-Mem)上,制备了直径10nm左右的Au纳米通道膜(Au-Mem).实验考察了芦丁在纳米通道膜上的透过特性,在电场作用下,芦丁与铝形成的荷电配离子在电场力驱动下透过修饰了对巯基苯胺(PATP)的Au纳米通道膜,实现了芦丁的分离与测定.成功地对复方芦丁片中的芦丁分子进行了分离与测定,回收率为96.3%～99.3%.

基于金纳米通道膜检测脱氧核糖核酸的研究

采用化学沉积的方法在聚碳酸酯膜上沉积金纳米颗粒得到金纳米通道膜，并用探针DNA对金纳米通道进行修饰。基于目标DNA与探针DNA杂交后，金纳米通道膜（孔径为30nm左右）交流阻抗信号的变化．发展了一种无需标记的DNA的检测方法。该方法获得的线性回归方程为△R（Ω）=21．05＋0．21C（nmol／L），线性相关系数为0．9864；线性检测范围为35-450nmol/L，检出限为20nmol/L。这种金纳米通道膜在DNA或RNA的检测及分离方面具有较好的应用前景。

基于Au纳米通道膜的生物分离新方法在蛋白质分离中的应用

采用化学沉积法将 Au沉积到聚碳酸酯滤膜 ( PC-Mem)上 ,制备了直径为 5 5 nm左右的 Au纳米通道膜 ( Au-Mem) .以牛血清白蛋白 ( BSA)和免疫球蛋白 G( Ig G)抗体为模型分子 ,研究了 Au-Mem以及分别以半胱氨酸和硫氰酸胍修饰的 Au-Mem( Cys-Au-Mem,Gua-Au-Mem)对模型分子的分离特性 .由于硫氰酸胍具有一定的亲水作用和蛋白质变性作用 ,BSA在 Gua-Au-Mem上的迁移速率比在 Au-Mem上增加了 3 0～ 5 0倍 ,而修饰膜对 Ig G的迁移速率无明显影响 .在 p H=4.5时分离了 BSA和 Ig G的混合溶液 .Gua-Au-Mem和 Cys-Au-Mem对混合溶液的分离度分别为 3 1 .6和 2 3 .1 ,表明经修饰的

二维MXene@MoS_(2)复合膜的制备及其染料分离和抑菌性能研究

二维材料由于具有独特的微观结构和理化性质,已逐渐成为环境、生物和能源等交叉领域的研究热点。该实验首先以硫脲和仲钼酸铵为原料,通过水热法合成了Mo S2粉末,并以液相超声剥离的方法获得MoS_(2)纳米片。进一步采用真空抽滤的方式将MoS_(2)和MXene两种二维材料组成的前驱体溶液抽滤在PES基材上,构筑出新型二维MXene@MoS_(2)复合膜。通过XRD和TEM等表征证明了二维Mo S2的成功制备,通过SEM观察了复合膜表面和断面形貌。实验结果表明,MoS_(2)的加入能够显著提升膜的分离性能,与纯MXene膜相比,新型复合膜对水中刚果红、罗丹明B两种染料的截留率分别从86.7%~88.4%提升至98%~98.8%。此外,MXene@Mo S2复合膜还对水中的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌展现出具有良好的抑菌效果,新型膜的开发有望解决膜实际应用中易被细菌污染的关键难题。

纳米纤维素/二维碳基复合膜在电磁屏蔽领域的应用进展

金属材料(如金、铜、银等)被用作有效的电磁屏蔽材料,但其高密度和难加工特性使其在现代微电子产品中不受欢迎。近几年,高导电、轻质的还原氧化石墨烯(rGO)和过渡金属碳、氮化物(MXene)等二维碳基填料作为传统金属的理想替代品,和可持续的植物纳米纤维(CNF)复合制备电磁屏蔽材料备受关注。综述了电磁屏蔽材料的屏蔽机理及CNF/rGO和CNF/MXene复合膜的制备方法、屏蔽效能、应用方向和存在的问题,并展望屏蔽材料未来的发展趋势。

基于二维材料膜构筑纳米流体通道的研究进展

纳米流体学涉及在纳米尺度通道内流体独特的传输行为,近年来引起了研究者们的广泛兴趣。二维(2D)材料的出现以及2D材料膜的快速发展,开创了纳米流体研究的新时代。本文综述了近年来基于二维材料膜构筑纳米流体通道的研究进展,着重介绍了二维材料膜纳米流体通道的构筑方法,包括“自上而下”策略、“自下而上”策略、人工造孔策略制备二维材料多孔膜,以及范德华组装策略、液相组装策略制备二维材料叠层膜;深入讨论了二维材料膜纳米流体通道的调控手段,包括通道尺寸、长度和形状等物理结构的精密控制,通道亲和性、电荷性等化学环境的合理设计;最后总结展望了二维材料膜纳米流体在材料开发、仿生设计、传输机理和器件应用等方面所面临的机遇与挑战。

PLGA/MXene纳米纤维膜的制备及光热性能影响因素

以聚乳酸—羟基乙酸共聚物(PLGA)和过渡金属碳化物(MXene)为原料,采用静电纺丝技术制备PLGA/MXene纳米纤维膜,并在红外激光照射下,研究MXene浓度、光照功率密度、光照距离、环境温度、接触介质等因素对其光热性能的影响。结果表明:PLGA/MXene纳米纤维膜的光热性能与MXene浓度、光照功率密度、光照距离、环境温度正相关,且当接触介质为塑料板时,试样的光热温度最高。

亚纳米膜可实现同步自组装其通道大小和形状均可量身定制

据报道，美国科学家最近开发出一种具有高度均匀亚纳米通道的自组装聚合物膜，首次实现了在宏观尺度上利用有机纳米管制备功能膜，且其生产工艺符合商业生产要求，标志着这一技术已成功地迈出了重要一步。细胞膜是大自然最重要的发明之一，它通过通道的大小、形状及表面化学来控制关键分子和离子进出细胞。在自然界中，多肽链两端连接在一起可构成环状结构。

微通道中原位分散技术可控制备氧化铜纳米流体及复合薄膜前体

疏水纳米颗粒分散于有机体系中形成的纳米分散体,具有独特的理化性质和重要的应用价值。其中,纳米颗粒的单分散性、均匀性和稳定性是决定纳米分散体性能的关键。以Cu O纳米分散体作为纳米流体和复合薄膜前体这一典型体系为研究对象,通过设计平板型微通道实现了Cu O纳米分散体制备过程中的液滴聚并和改性Cu O纳米颗粒的原位分散。制备了颗粒体积分数达2%、平均粒径约30 nm的Cu O-基础油纳米流体,该纳米流体具有良好的稳定性和达到0.184 W·m^(–1)·K^(–1)的较高热导率;制备的Cu O-PDMS(聚二甲基硅氧烷)复合薄膜具有较强的抗菌性能和颗粒复合层稳定性。通过系统性实验研究,证明了原位分散方法在强化改性颗粒高效分散中的重要作用,确定了颗粒性能及分散行为对分散体性能的影响规律。

具有水下超疏油性能的MXene高效油水分离膜

基于二维材料MXene(Ti_3C_2T_x)的化学组成和纳米片状结构,在不锈钢网上制备了具有MXene微纳结构表面的新型亲水和水下超疏油分离膜.对于不同类型的油-水混合物,该膜材料可实现重力驱动的高效油水分离,收集的水中残油量小于4 mg/L,具有高分离效率(>99. 99%),水通量高达57. 52 L·m^(-2)·s^(-1).此外,经高温处理和多种有机溶剂浸泡后MXene膜仍具有高效的油水分离性能,并表现出优异的稳定性和循环性.

石墨烯基CO2分离膜通道微环境调控研究进展

石墨烯作为一种具有单原子层厚度的二维纳米片,凭借石墨烯基独特的物理性质,已成为高性能碳捕集膜的构筑单元。石墨烯基纳米片超薄的厚度有助于制备超薄膜以提升分离膜的通量,此外可调的物理化学性质赋予石墨烯二维通道内多样的微环境。以CO2分离膜内多重传质机理为出发点,重点介绍近年来石墨烯基CO2分离膜二维通道物理化学微环境精密调控的策略及进展,期望对石墨烯基CO2分离膜的理性设计和可控制备提供清晰思路。

基于核酸适体修饰的纳米通道分离β-雌二醇和雌酮的研究

建立了修饰金纳米通道分离β-雌二醇和雌酮的新方法。以聚碳酸酯膜为模板,基于模板合成-化学沉积原理,在其表面及膜孔内壁均匀沉积纳米金层,得到一定孔径的金纳米通道,利用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)等对其进行研究表征,制备得到均一、可靠的金纳米通道膜。在制备好的金纳米通道表面,通过分子自组装的方式将β-雌二醇核酸适体修饰在金纳米通道内,得到对β-雌二醇具有选择性的纳米通道。β-雌二醇较容易通过修饰后的纳米通道,而雌酮不易通过。考察了β-雌二醇和雌酮在β-雌二醇核酸适体修饰的金纳米通道的迁移特性,以此实现二者的分离。利用50 nm聚碳酸酯膜沉积金3 h,得到孔径约20 nm金纳米通道膜,在0.5 mmol/L Tris-HCl缓冲溶液(pH 7.4)中,进样池浓度为1.76×10!5mol/L的β-雌二醇和雌酮,分离度达到1.76。

基于氧化铝纳米通道的电化学生物传感器研究

将制备好的氧化铝纳米通道经与3-氨丙基三乙氧基硅烷反应使其表面修饰了氨基后,再在含生物素的缓冲溶液(pH 5.5)中反应12h,制成表面固定了生物素的氧化铝纳米通道,通道孔径约50nm。另取PVC管一段,在其顶端用PVC/THF混合液粘附制备好的聚合物膜,再将上述修饰好的氧化铝纳米通道用有机硅橡胶粘在敏感膜的底部,作为工作电极待用。以生物素-亲和素体系为模型,用经修饰的氧化铝纳米通道为识别载体进行电位法检测,实现了亲和素的检测。亲和素的质量浓度在0.10~0.60mg·L-1范围内与相应的电位变化值之间呈线性关系,检出限(3σ)为0.05mg·L-1。试验结果验证了氧化铝纳米通道电位生物传感器测定生物大分子的可行性。

仿生阳离子门控动态液膜纳米通道用于离子和分子的可控传输

钙离子门控在生命活动中非常重要,受此启发,人工离子门控得到广泛研究.然而,传统离子门控依赖不对称电荷结构和固定通道尺寸导致通道难以堵塞和门控比低.我们构建了一种阳离子门控动态液膜纳米通道,通过将油滴插入充满离子溶液的毛细管中,利用油和毛细管之间的液膜作为纳米通道传输离子和分子,其高度可通过静电力灵活调节.门控开关依赖于离子价态.多价离子比单价离子更易降低静电斥力,从而使纳米通道从“ON”态变为“OFF”态,并显示出良好的循环门控性能和高开关比.本文提出了一种便利的智能纳米通道,仅需调节油水和水固界面之间的静电力即可调节液膜内离子和分子的传输.该技术在药物输送、生物传感和物种分离等领域具有广阔的应用前景.