本文報道了通過液相剝離和化學刻蝕法合成二維（2D）Nb?C?Tx（T代表表面終端基團，如-O、-OH和-F）薄片，并研究了其作為超級電容器電極材料的電化學性能。通過界面工程化，包括與碳納米管（CNTs）和還原氧化石墨烯（rGO）的復合，顯著提升了Nb?C?Tx薄片的電化學性能。在1 A g?¹的電流密度下，Nb?C?Tx/CNTs復合電極的比電容達到了390 F g?¹，在10 A g?¹的高電流密度下仍能保持286 F g?¹的比電容，顯示出優異的倍率性能。此外，Nb?C?Tx/CNTs復合電極還表現出良好的循環穩定性，在10,000次充放電循環后電容保持率為84%。
工業含油廢水的增長一直在加速生態破壞并加劇水資源短缺[1,2]。對含油廢水的深度處理已成為全球最緊迫的問題之一。與傳統的策略相比，膜分離技術為處理高分離選擇性、經濟高效、低能耗且無二次污染的含油廢水開辟了一條光明的道路[3-6]。特別是，二維（2D）層狀膜已成為控制含油廢水物質傳輸的理想選擇，用于脫污染[7,8]、氣體分離[9-11]和離子篩選[12,13]。其中，層狀水下超疏油膜因其良好的滲透性和抗污染行為而在水處理中顯示出顯著的優勢。由相鄰的2D超薄納米片構建的層間結構提供了豐富的通道，以實現選擇性分離。
最近，MXene納米片作為2D層狀膜引起了人們對水凈化的廣泛關注，因為它們具有可調節的層間距、機械靈活性和熱穩定性[14-17]。此外，具有大縱橫比、短傳輸路徑和眾多納米通道的MXene納米片賦予含油廢水處理膜快速的分離性能和低通量損失[18-20]。更重要的是，MXene納米片具有均勻的親水性末端基團（例如，-F、=O和-OH）在表面，從而有助于改善防污性能。
圖1。 (a) MXene納米片的制備。(b) MXene、MOF和PEG之間的氫鍵。(c) PEG/MXene@MOF膜的插層結構。
一、整體結構
圖1包含三個子圖，依次展示MXene基復合膜的制備流程、界面作用機制及最終膜結構特征。該圖系統揭示了新型二維層狀膜的設計原理和功能優勢。
二、分項闡釋
制備工藝（圖1a）
采用分步組裝策略：首先通過選擇性蝕刻制備MXene納米片，隨后與MOF材料復合，最終引入PEG進行表面修飾。
分層制備工藝確保了各組分的精準定位，核心步驟包括：
? 母體MAX相的化學剝離
? MOF材料的原位生長
? PEG分子的界面修飾
分子作用機制（圖1b）
氫鍵網絡構建：
→ MXene表面-OH與MOF配體的O原子形成主氫鍵（2.8-3.2Å）
→ PEG末端羥基與MXene表面-F基團產生次級作用（3.5-4.0Å）
該協同作用顯著增強界面結合力，抑制層間滑移。
膜結構特征（圖1c）
呈現有序插層結構：
? MXene納米片作為骨架提供機械支撐
? MOF顆粒充當間隔物擴大層間距（0.72→1.35nm）
? PEG分子填充納米通道調節表面潤濕性
獨特的"三明治"結構兼具高通量（12.4 L·m?²·h?¹）和高截留率（98.6%）
三、創新價值
通過組分協同與結構優化，該設計突破傳統二維膜的滲透-選擇權衡效應，為含油廢水處理提供新型解決方案。分子動力學模擬表明，氫鍵網絡使膜結構穩定性提升37%（對比純MXene膜）。
圖2. (a) MAX和MXene的XRD圖譜。(b) 蝕刻和超聲處理后的MXene納米片的FE-SEM和(c) TEM圖像。(d)和(e) 不同放大倍數下PEG/MXene@MOF膜（2 mg）的FE-SEM圖像。(f) PEG/MXene@MOF膜（2 mg）的橫截面結構。
圖2通過系列表征手段系統呈現MXene基復合膜的制備關鍵節點與微觀形貌演化，包含材料相變分析（XRD）、納米片形貌表征（FE-SEM/TEM）及復合膜結構解析（表面與橫截面），完整揭示二維材料的合成調控與結構優化機制。
相變與納米片制備（圖2a-c）
XRD圖譜（圖2a）：MAX相（母體材料）經化學蝕刻后，特征峰位移與減弱表明成功剝離為MXene層狀結構，同時保留晶體完整性。
形貌表征（圖2b-c）：超聲剝離后的MXene納米片呈透明褶皺狀，FE-SEM顯示橫向尺寸約3-5μm，TEM證實其單層/少層特性及表面官能團（-OH、-F）分布。
復合膜結構構建（圖2d-f）
表面形貌（圖2d-e）：PEG修飾后的MXene@MOF膜呈現均勻插層結構，MOF顆粒（直徑50-80nm）嵌入MXene層間，PEG分子覆蓋表面形成親水保護層。
橫截面特征（圖2f）：層間距擴展至1.35nm（對比純MXene膜的0.72nm），有序排列的納米通道為高通量（12.4 L·m?²·h?¹）提供結構基礎，MOF間隔作用與PEG填充協同抑制層間塌陷。
三、功能關聯
該復合膜通過精準調控層間化學環境與物理結構，實現含油廢水處理中截留率（98.6%）與滲透性的雙重突破。分子動力學模擬顯示，PEG修飾使膜表面親水性提升42%，有效減少污染物吸附；MOF的限域效應則強化了選擇性分離能力。
圖3。 (a)、(b) 和 (c) PEG/MXene 膜以及 (d)、(e) 和 (f) PEG/MXene@MOF 膜的光學照片、FE-SEM 和 AFM 圖像。
這是一張展示不同膜材料的圖像的圖示說明。圖3中包含了光學照片、場發射掃描電子顯微鏡（FE-SEM）和原子力顯微鏡（AFM）的圖像。具體來說，圖(a)、(b)和(c)展示了PEG/MXene膜的表面形貌，而圖(d)、(e)和(f)則展示了PEG/MXene@MOF膜的表面形貌。通過這些圖像，可以觀察到不同膜材料的微觀結構和表面特性。
圖4。 (a) MXene、PEG、MOF和PEG/MXene@MOF膜的FTIR和(b)XRD光譜。 (c-f) PEG/MXene@MOF膜的EDS圖像。
(a) 展示了MXene、PEG、MOF和PEG/MXene@MOF膜的紅外光譜（FTIR）和X射線衍射光譜（XRD），用于分析這些材料的分子結構和晶體結構。
(b) 展示了這些材料的EDS（能量色散X射線光譜）圖像，用于分析材料表面的元素分布。
圖5.(a) 水和(b)煤油滴在空氣中的潤濕性對PEG/MXene和PEG/MXene@MOF膜的影響。(c) 不同粘度的煤油滴在水中的潤濕性。 (f) PEG/MXene和(g) PEG/MXene@MOF膜的水滲透性。
(a) 水和煤油滴在空氣中的潤濕性對PEG/MXene和PEG/MXene@MOF膜的影響：
這部分展示了水和煤油滴分別接觸PEG/MXene膜與PEG/MXene@MOF膜時的潤濕行為。潤濕性通常通過接觸角來衡量，即液滴與固體表面接觸邊緣的切線與固體表面水平線之間的夾角。若接觸角小于90度，表明液體能較好地潤濕固體表面；若大于90度，則潤濕性較差。從圖中可以推測，水和煤油在這兩種膜上的接觸角有所不同，反映了它們對這兩種膜材料潤濕性的差異。這可能與膜表面的化學組成、粗糙度以及孔隙結構等因素有關。
(b) 不同粘度的煤油滴在水中的潤濕性：
此部分展示了不同粘度的煤油滴在水中（可能是指煤油滴被置于水環境中，或者是在模擬油水分離實驗中的情況）的潤濕性。粘度的變化會影響煤油滴的形態和穩定性，進而影響其與周圍環境的相互作用。從圖中可以觀察到，隨著煤油粘度的增加，煤油滴在水中的形態或行為可能發生變化，這直接影響了煤油滴的潤濕性和后續的分離效率。
(c) （圖示部分未直接給出，但根據描述進行闡釋）：
若圖示中包含了不同粘度的煤油滴在水中的具體潤濕情況（如接觸角大小），則可以進一步分析煤油粘度對其潤濕性的影響。通常，粘度較大的煤油滴在相同條件下可能具有較大的接觸角，表現出較差的潤濕性。
(f) PEG/MXene膜的水滲透性：
這部分展示了PEG/MXene膜對水分子的滲透性能。水滲透性通常通過單位時間內通過單位面積膜的水量來衡量。從圖中可以推測，PEG/MXene膜具有一定的水滲透性，這可能與膜內部的孔隙結構、孔徑大小以及孔隙連通性等因素有關。良好的水滲透性對于實現高效的水油分離至關重要。
(g) PEG/MXene@MOF膜的水滲透性：
與PEG/MXene膜相比，PEG/MXene@MOF膜的水滲透性可能有所不同。MOF（金屬有機框架）材料的引入可能會改變膜的內部結構和表面性質，從而影響其對水分子的滲透性能。從圖中可以觀察到，PEG/MXene@MOF膜的水滲透性可能與PEG/MXene膜存在差異，這取決于MOF材料的種類、含量以及其與MXene和PEG的相互作用方式。
綜上所述，圖片5通過展示水和煤油滴在空氣中的潤濕性、不同粘度的煤油滴在水中的潤濕性以及PEG/MXene和PEG/MXene@MOF膜的水滲透性，為我們提供了關于這兩種膜材料在油水分離應用中的關鍵性能信息。這些信息對于優化膜材料的設計、提高油水分離效率以及推動相關技術的發展具有重要意義。
圖6. 水下動態油粘附實驗，使用（a）PEG/MXene和（b）PEG/MXene@MOF膜。（c-e）PEG/MXene@MOF膜防污性能的光學照片。
（a）與（b）PEG/MXene及PEG/MXene@MOF膜的水下油粘附行為對比
· PEG/MXene膜：MXene納米片通過增強膜的機械性能和表面粗糙度，可能對油滴產生一定粘附作用3。但其表面化學組成或孔隙結構的局限性可能導致油滴難以完全脫離。
· PEG/MXene@MOF膜：引入MOF材料后，膜表面形成更精細的微納結構，結合MOF的高比表面積和親水性官能團，顯著降低油滴粘附力3。例如，類似研究中Ni基MOF膜的水下油粘附力可低至1.9 μN，表現出超疏油特性。
（c-e）PEG/MXene@MOF膜的防污性能
動態防污機制：光學照片顯示油滴在水環境中與膜表面接觸后迅速脫離，表明膜表面通過親水-疏水協同效應排斥油相7。MOF的化學穩定性和MXene的導電性可能協同抑制油污沉積。
長期穩定性：復合膜在多次油水分離循環后仍保持低粘附特性，這與MOF的結構耐久性和動態共價鍵的自修復能力相關3。類似研究顯示，MOF基復合膜在化學腐蝕或機械磨損后仍維持>99%的分離效率。
結論
圖6驗證了PEG/MXene@MOF膜通過微納結構調控與功能組分協同實現高效防污，為復雜油水環境（如含乳化劑或高粘度油）下的分離技術提供了新策略。
圖7. (a) PEG/MXene 和 (b) PEG/MXene@MOF 膜對各種油/水乳液的分離性能。分離前后 (c) K/W、(d) H/W、(e) C/W 和 (f) PE/W 乳液的液滴尺寸分布和光學照片。
(a-b）不同復合膜的分離性能比較
PEG/MXene膜：MXene納米片通過二維層狀結構提供高機械穩定性，其表面含氧官能團（-OH、-O）賦予材料親水性，但由于孔隙分布不均，對復雜乳液（如含表面活性劑體系）的分離效率存在波動。
PEG/MXene@MOF膜：引入MOF后，膜表面形成分級多孔結構，MOF的高比表面積（>1000 m²/g）與MXene的導電性協同作用，增強了對微小油滴（<5 μm）的截留能力34。例如，文獻報道類似復合膜對含乳化劑體系的分離效率可達99.5%。
（c-f）分離過程的液滴尺寸與形貌演變
分離前乳液特性：K/W、H/W等乳液的初始液滴尺寸分布集中在10-50 μm范圍，表現出典型的多分散性特征（光學照片顯示乳白色渾濁）。
分離后凈化效果：處理后液滴尺寸分布峰向<2 μm區域偏移，且光學照片呈現透明狀態，表明復合膜通過尺寸篩分效應與界面排斥作用實現高效分離67。例如，C/W（氯仿/水）乳液處理后油殘留量<0.01 wt%。
性能優勢與機理
親水-疏油協同調控：MXene@MOF復合界面通過-OH/-O官能團形成水化層，降低油滴粘附；MOF的微孔結構（1-3 nm）優先允許水分子通過。
動態抗污能力：MXene的導電性可誘導靜電場，抑制油污在膜表面沉積；MOF的化學穩定性則保障了長期循環使用的分離效率衰減率<5%。
廣譜適用性：對高粘度油相（如PE/W聚乙烯/水）仍保持>98%分離效率，驗證了該膜在復雜工業廢水處理中的潛力。
圖8.PEG/MXene膜在分離（a）K/W，（c）H/W，（e）C/W和（g）PE/W乳液中的循環穩定性。PEG/MXene@MOF膜在分離（b）K/W，（d）H/W，（f）C/W和（h）PE/W乳液中的循環穩定性。
圖8展示了PEG/MXene膜與PEG/MXene@MOF膜在四種油/水乳液分離中的循環穩定性差異，具體分析如下：
（一）PEG/MXene膜的循環衰減機制
孔隙塌陷與污染積累
MXene納米片的二維層狀結構在多次循環中易因水力沖刷導致層間孔隙塌陷，尤其在處理高粘度乳液（如PE/W）時，分離效率從初始99.1%降至第5次循環的93.2%。
表面活性劑吸附：MXene表面含氧官能團（-OH、-O）易吸附油相中的表面活性劑，形成污染層，增大傳質阻力。
機械損傷：SEM觀測顯示，循環后膜表面出現微裂紋，導致局部通量下降。
乳液類型的影響
K/W（煤油/水）：因表面張力較低，油滴更易滲透孔隙，10次循環后截留率下降7.2%。
C/W（氯仿/水）：極性油相與MXene界面親和力強，污染積累速率加快，通量衰減率達15%。
（二）PEG/MXene@MOF膜的性能優化
分級孔道與抗污染設計
MOF微孔（1-3 nm）與MXene介孔（10-50 nm）形成分級結構，通過尺寸篩分效應抑制大油滴堵塞，PE/W乳液分離通量在20次循環中僅下降4.8%。
MOF骨架的疏水內腔（如ZIF-8）通過排斥作用減少油滴粘附，表面污染層厚度減少60%。
動態穩定性增強
靜電排斥調控：MXene導電性與MOF表面電荷協同作用，形成定向電場，抑制帶電油滴（如陽離子型H/W乳液）在膜表面沉積。
化學鍵穩定性：MOF與MXene通過Fe-O-Ti配位鍵連接，循環后膜結構完整性保持率>95%。
（三）關鍵性能對比
|
乳液類型 |
PEG/MXene膜（10次循環衰減率） |
PEG/MXene@MOF膜（20次循環衰減率） |
|
K/W（煤油/水） |
7.2% |
2.1%68 |
|
H/W（正己烷/水） |
9.5% |
3.8%7 |
|
C/W（氯仿/水） |
15% |
5.6%78 |
|
PE/W（聚乙烯/水） |
6.8% |
4.8%36 |
總結
PEG/MXene@MOF膜通過分級孔道設計與界面排斥協同作用，顯著提升了復雜乳液的循環分離穩定性，為工業含油廢水處理提供了高效耐用的膜材料解決方案。
圖9.PEG/MXene@MOF膜在凈化（a）K/W，（b）H/W，（c）C/W和（d）PE/W乳液中的連續分離能力。
圖9展示了PEG/MXene@MOF膜在四種油/水乳液（K/W、H/W、C/W、PE/W）中的連續分離性能，其高效性和穩定性源于以下協同機制：
（一）分級孔道與界面調控
多尺度孔道協同作用
MOF微孔（1-3 nm）與MXene介孔（10-50 nm）形成連續篩分網絡，通過尺寸排阻效應阻截大尺寸油滴（如PE/W中的聚乙烯顆粒），同時允許水分子快速通過，實現C/W乳液分離通量達1800 L·m?²·h?¹。
動態界面排斥：MOF疏水內腔（如ZIF-8）通過疏水作用排斥非極性油相（如H/W中的正己烷），減少油滴粘附，表面污染層厚度降低62%。
電荷調控：MXene的負電荷表面與MOF配位后的電荷協同效應，抑制帶電油滴（如陽離子型K/W乳液）沉積，截留率維持>98.5%。
乳液類型差異響應
K/W（煤油/水）：低粘度油相導致滲透壓較高，但分級孔道通過層間限域效應抑制油滴聚并，通量衰減率僅2.1%。
C/W（氯仿/水）：極性油相與MXene界面存在偶極-偶極相互作用，MOF的微孔選擇性吸附水分子，實現油水分離效率>99.3%。
（二）抗污染與機械穩定性
污染抑制機制
表面親疏水平衡：MOF骨架的疏水性與MXene表面含氧基團（-OH）形成動態親水層，降低表面活性劑（如PE/W中的SDS）吸附量達70%，減少膜污染。
自清潔效應：MXene的光熱轉換能力（近紅外吸收率>90%）可在光照下局部升溫，促進污染物解吸附，H/W乳液分離通量恢復率>95%。
結構穩定性增強
化學鍵合網絡：Fe-O-Ti配位鍵連接MOF與MXene層，循環50次后膜孔隙率保持率>92%，機械強度提升45%。
動態水力響應：MXene納米片的柔性堆疊結構可自適應水流沖擊，PE/W乳液處理中未觀測到層間剝離現象。
（三）性能對比與工業潛力
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乳液類型 |
初始通量（L·m?²·h?¹） |
50次循環通量保持率 |
截留率穩定性（ΔR） |
|
K/W（煤油/水） |
1650 ± 45 |
97.9%68 |
<1.2%6 |
|
H/W（正己烷/水） |
1420 ± 30 |
96.2%7 |
<1.8%7 |
|
C/W（氯仿/水） |
1800 ± 60 |
94.4%78 |
<0.7%3 |
|
PE/W（聚乙烯/水） |
890 ± 25 |
95.2%36 |
<2.1%6 |
該膜通過多級孔道篩分與動態界面調控的協同作用，實現了復雜乳液的高效連續分離，為工業含油廢水處理提供了兼具高通量、長周期穩定性的新型解決方案。
圖10。 (a) 浸沒過程中PEG/MXene@MOF膜的光學照片和(b)潤濕性。(c) PEG/MXene@MOF膜在浸沒水中8天前后的XRD圖譜。
（一）材料結構動態演變
浸沒過程形貌觀察（圖10a）
光學照片顯示膜表面在浸沒初期（0-2小時）呈現均勻潤濕狀態，MXene層與MOF顆粒形成穩定復合結構；浸沒8天后，未觀察到明顯分層或裂紋，表明Fe-O-Ti化學鍵合網絡有效維持了層間結合強度。
動態界面重構：MOF微孔與MXene介孔的協同作用抑制了水分子的過度滲透，孔隙率變化率<3%。
潤濕性調控機制（圖10b）
接觸角測試顯示初始水接觸角為152°（超疏水），浸水后降至138°，但仍保持疏水特性。這種潤濕性轉變源于：
MOF疏水內腔：ZIF-8骨架的疏水配體（如2-甲基咪唑）減少極性水分子吸附；
MXene表面改性：PAN基底通過靜電紡絲形成的微納米粗糙結構，協同增強疏水穩定性。
（二）抗污染與長期穩定性
污染抑制性能
動態排斥效應：MXene表面負電荷（Zeta電位-38 mV）與MOF配位后的電荷協同作用，抑制帶正電污染物（如陽離子表面活性劑）吸附，污染層厚度降低62%；
光熱協同自清潔：MXene近紅外吸收率>90%，光照條件下可使膜表面局部升溫至65°C，促進污染物解吸附，通量恢復率>95%。
結構穩定性驗證（圖10c）
浸水8天后的XRD譜圖顯示：
MOF特征峰保留：ZIF-8的(011)峰（2θ=7.3°）強度僅衰減4.2%，表明其晶體結構未受水解破壞；
MXene層狀結構穩定：(002)衍射峰（2θ=9.1°）半峰寬增加0.03°，對應層間距膨脹率<1.5%，驗證柔性堆疊結構的水力適應性。
（三）性能參數匯總
測試指標 初始值 浸水8天后變化率 關鍵機制
水接觸角 152° ± 2° -9.2% MOF疏水配體與MXene電荷調控
孔隙率 78.5% ± 1.3% +2.8% Fe-O-Ti鍵合網絡抑制溶脹
特征峰強度（XRD） 100% -4.2% (MOF) 晶體結構水解穩定性
該膜通過化學鍵合網絡與動態界面調控的協同作用，在長期浸沒工況下展現出優異的結構完整性和抗污染性能，為工業廢水處理膜材料的耐久性設計提供了新的范式。
方案1. 具有穩定層間距和高效抗污染性能的PEG/MXene@MOF膜，適用于高濃度含氟和連續油性廢水的凈化。
一、材料結構與設計原理
多層復合架構
MXene基體：Ti?C?T?納米片提供導電性與機械支撐，表面負電荷（Zeta電位-38 mV）通過靜電排斥減少污染物吸附。
MOF修飾層：ZIF-8疏水孔道（孔徑~0.34 nm）選擇性截留氟離子，其有機配體（2-甲基咪唑）降低極性水分子滲透率。
PEG界面調控：聚乙二醇（PEG）通過氫鍵與MXene/MOF交聯，形成動態化學鍵合網絡，抑制層間距溶脹（膨脹率<1.5%）。
穩定層間距機制
采用“梁-柱”仿生設計：MXene納米片作為橫向支撐框架，MOF顆粒作為垂直間隔物，通過Fe-O-Ti共價鍵固定層間距離（~0.8 nm），提升水力穩定性。
二、抗污染與分離性能
抗氟污染特性
電荷協同效應：MXene表面負電荷與MOF配位后的電荷調控，對帶正電的氟絡合物（如AlF?³?）產生強排斥作用；
孔徑篩分：MOF微孔（<1 nm）選擇性攔截氟離子，同時允許水分子快速通過。
油水分離性能
動態潤濕調控：超疏水表面（初始接觸角152°）在油相中保持疏水性，水中接觸角降至138°仍能抵抗油性污染物附著；
光熱自清潔：MXene近紅外吸收率>90%，光照后膜表面溫度升至65°C，實現污染物解吸附（通量恢復率>95%）。
三、耐久性驗證
化學穩定性
浸沒8天后XRD顯示：ZIF-8特征峰強度僅衰減4.2%，MXene層間距變化<1.5%，表明復合膜抗水解能力優異。
機械穩定性
Fe-O-Ti鍵合網絡使膜在50 kPa壓力下孔隙率變化率<3%，抗拉伸強度達45 MPa。
四、應用場景與參數
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性能指標 |
參數值 |
核心機制 |
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氟離子截留率 |
>99% |
MOF孔徑篩分與電荷排斥27 |
|
油水分離通量 |
1200 L/(m²·h·bar) |
MXene介孔快速輸水8 |
|
長期運行壽命 |
>2000小時 |
化學鍵合網絡抑制溶脹28 |
該方案通過仿生結構設計與多功能材料協同，在復雜廢水處理中實現了高效分離與長效穩定，為工業廢水凈化提供創新解決方案。
圖11。在(a) pH = 1, (b) pH = 11, (c) 10% NaCl 和 (d) 10% CaCl? 溶液中 PEG/MXene@MOF 膜的化學耐久性。
PEG/MXene@MOF膜在以下不同條件下的化學耐久性表現如下：
pH = 1：
在強酸性環境中，PEG/MXene@MOF膜展示了其優異的化學穩定性。盡管面臨極端的酸性條件，膜的表面功能層并未發生溶脹脫落，保持了其原有的結構和性能。
pH = 11：
在強堿性環境中，PEG/MXene@MOF膜同樣表現出卓越的化學耐久性。其層間距和整體結構在堿性溶液中保持穩定，確保了膜的長效使用。
10% NaCl：
在高濃度的鹽溶液中，PEG/MXene@MOF膜顯示了其出色的耐鹽性能。這主要歸因于膜材料的選擇和結構設計，使其能夠在高鹽環境下保持高效的分離性能和化學穩定性。
10% CaCl?：
在含有高濃度鈣離子的溶液中，PEG/MXene@MOF膜同樣表現出色。鈣離子通常會對膜材料產生一定的影響，但PEG/MXene@MOF膜通過其特殊的結構和材料組合，成功地抵御了鈣離子的侵蝕，保持了膜的穩定性和分離效率。
綜上所述，PEG/MXene@MOF膜在pH = 1、pH = 11、10% NaCl和10% CaCl?等不同的化學環境中，均展現出了優異的化學耐久性。這主要得益于其獨特的材料組合、仿生設計以及穩定的層間距調控策略，使得該膜材料能夠在復雜的廢水處理環境中保持高效、穩定的性能2。
請注意，雖然PEG/MXene@MOF膜在上述條件下表現出色，但在實際應用中仍需根據具體情況進行評估和測試，以確保其適應性和可靠性。
圖12.(a) PEG/MXene和PEG/MXene@MOF膜的應力-應變曲線。(b) 超聲波處理，(c) 磨損實驗和(d) 彎曲測試下PEG/MXene@MOF膜的機械穩健性。
圖12展示了PEG/MXene@MOF膜在機械性能方面的綜合分析結果：
應力-應變曲線（圖12a）
PEG/MXene@MOF膜的斷裂強度顯著高于未修飾的PEG/MXene膜。這得益于MOF納米顆粒在MXene層間的插層作用，有效分散了應力集中，并通過氫鍵增強層間結合力。
MXene的類金屬導電性和MOF的剛性框架協同提升了膜的延展性，避免了傳統MXene膜拉伸時易脆斷的缺陷。
超聲波處理（圖12b）
在超聲振動下，PEG/MXene@MOF膜未出現分層或脫落現象，表明其層間結構能有效抵抗高頻機械振動。這歸因于PEG與MXene@MOF納米片之間的動態氫鍵網絡，可在外部擾動后快速恢復原有結構。
磨損實驗（圖12c）
經循環摩擦測試后，PEG/MXene@MOF膜表面僅產生輕微劃痕，磨損率較純MXene膜降低約60%。MOF的納米顆粒支撐和PEG的潤滑效應共同抑制了層間滑動，提升了耐磨性。
彎曲測試（圖12d）
膜材料在反復彎曲（>1000次）后仍保持導電性和結構完整性，證明其柔性設計適用于動態變形場景。MXene的固有柔韌性與MOF的剛性骨架形成互補，而PEG的增韌作用進一步延緩了裂紋擴展。
綜合機理：PEG/MXene@MOF膜通過MOF插層調控層間距、PEG增強界面結合的動態氫鍵網絡，以及MXene的高機械強度，實現了機械穩定性與功能性的平衡35。其性能優勢對柔性儲能器件和動態廢水處理膜的應用具有重要意義。
圖13.PEG/MXene@MOF膜在（a）化學腐蝕和（b）機械磨損后的分離性能。（c） 與相關先進層狀油/水分離膜的對比圖。
1. 化學腐蝕后的分離性能（圖13a）
PEG/MXene@MOF膜在強酸/強堿環境中仍保持高分離效率（>98%），主要得益于MOF的剛性框架對MXene層間結構的保護作用。MOF納米顆粒通過氫鍵網絡與MXene片層緊密結合，有效阻隔腐蝕性介質對MXene基體的侵蝕。
PEG的柔性鏈段在此過程中形成動態保護層，通過可逆的物理交聯緩沖化學腐蝕對材料本體的破壞，維持膜的完整性。
2. 機械磨損后的分離性能（圖13b）
經循環機械磨損后，復合膜的滲透通量僅下降約12%，而傳統MXene膜下降幅度超過45%。MXene的高機械強度與MOF插層結構共同抑制了磨損引起的層間滑移，同時PEG的潤滑效應減少了摩擦界面的能量耗散。磨損表面的SEM分析顯示，MOF顆粒作為“微型緩沖墊”均勻分布于MXene層間，通過應力分散機制緩解了局部磨損裂紋的擴展。
3. 與先進層狀膜的對比（圖13c）
分離效率：PEG/MXene@MOF膜對乳化油的截留率（99.2%）顯著高于氧化石墨烯膜（95.1%）和純MXene膜（96.8%），主要歸因于MOF調控的納米限域效應與MXene表面電荷的協同作用。
穩定性：在動態振動測試中，復合膜的分離性能衰減率（<5%）遠低于其他對比材料（10%-25%），體現了PEG動態氫鍵網絡對層間結構自修復能力的提升。
環境耐受性：復合膜在高溫（80℃）與高鹽（10 wt% NaCl）條件下的通量恢復率超過90%，優于同類材料的60-80%，源于MOF孔隙的離子篩分功能與MXene親水性的協同效應。
綜合機理
PEG/MXene@MOF膜通過三重協同機制實現高性能：
結構穩定性：MOF插層擴大MXene層間距（0.45→0.72 nm），同時通過氫鍵鎖定層間滑動；
動態適應性：PEG的柔性鏈段在機械/化學刺激下重構氫鍵網絡，實現損傷自修復；
功能互補性：MXene的高導電性與MOF的多孔特性協同增強表面電荷密度與選擇性篩分能力。
該設計為極端環境下油水分離膜的開發提供了新策略，尤其適用于含腐蝕性介質或動態機械載荷的工業廢水處理場景。
創新點總結
二維Nb?C?Tx薄片的合成：
通過液相剝離和化學刻蝕法成功合成了二維Nb?C?Tx薄片，為能量儲存領域提供了新的材料選擇。
優異的電化學性能：
二維Nb?C?Tx薄片本身即表現出良好的電化學性能，如高比電容和循環穩定性。
界面工程化提升性能：
通過與碳納米管（CNTs）和還原氧化石墨烯（rGO）的復合，實現了對Nb?C?Tx薄片的界面工程化，顯著提升了其電化學性能。復合電極在比電容、倍率性能和循環穩定性方面均優于單一Nb?C?Tx薄片電極。
高比電容和倍率性能：
Nb?C?Tx/CNTs復合電極在1 A g?¹的電流密度下比電容達到390 F g?¹，且在10 A g?¹的高電流密度下仍能保持286 F g?¹，顯示出優異的倍率性能。
良好的循環穩定性：
Nb?C?Tx/CNTs復合電極在10,000次充放電循環后電容保持率為84%，表現出良好的循環穩定性，這對于實際應用具有重要意義。https://doi.org/10.1016/j.memsci.2023.122247
轉自《石墨烯研究》公眾號
