納米粒子由于其體積小和表面積大，對人類健康構(gòu)成嚴(yán)重問題。盡管材料科學(xué)在開發(fā)空氣修復(fù)技術(shù)方面取得了持續(xù)進(jìn)展，但有效的納米粒子過濾仍然具有挑戰(zhàn)性。本研究展示了MXene涂層聚酯織物在高效過濾納米粒子方面的巨大潛力，在15-30納米范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了約90%的高效率。使用堿土金屬離子輔助織物涂層顯著提高了過濾性能，約提高25%，并通過電子顯微鏡和X射線計算機(jī)斷層掃描（CT）徹底評估了結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系。這些技術(shù)證實(shí)了金屬離子在獲得完全涂層和浸漬織物中的關(guān)鍵作用，這增加了曲折度和結(jié)構(gòu)特征，從而提高了最終過濾效率。我們的工作為使用MXene織物進(jìn)行納米粒子過濾提供了新穎的視角，并為實(shí)際應(yīng)用中生產(chǎn)高性能空氣過濾器提供了可行的替代方案。

       自2011年發(fā)現(xiàn)以來，MXenes——最大的二維（2D）材料家族——已在許多應(yīng)用中進(jìn)行了探索，包括電子、電磁干擾屏蔽、能量存儲、催化、傳感和生物醫(yī)學(xué)。MXenes具有M_n+1X_nT_x的通用公式，其中M代表早期過渡金屬，X是碳和/或氮，T_x描述表面終止（主要是-O、-OH、-F和-Cl），n的范圍從1到4。這些2D材料通過濕化學(xué)蝕刻和分層協(xié)議從其塊狀MAX相前體合成。MXenes具有獨(dú)特且多功能的特性，如金屬電導(dǎo)率、可調(diào)電化學(xué)和等離子體特性、活性氧化還原表面和高親水性。此外，MXenes的合成不僅限于小規(guī)模合成，還可以擴(kuò)展到利用已建立技術(shù)（如HF和HCl）的大型工業(yè)應(yīng)用，如石油和半導(dǎo)體制造業(yè)。

 
 
圖1. (a) Ti?C?涂層和(b) Ti?C?/Mg(II)涂層織物空氣過濾器的制備示意圖
 
 
圖2.掃描電子顯微鏡圖像：(a) 未涂層織物，(b) Ti3C2涂層織物，(c) Ti3C2/Mg(II)涂層織物。(d) 在Ti3C2/Mg(II)涂層織物上收集的元素映射。
 
 
圖3.(a,b) Ti3C2涂層紡織品的典型二維截面Micro-CT圖像（MXene：灰色；紡織品：纖維線）。(c,d) Ti3C2/Mg(II)涂層紡織品的典型二維截面Micro-CT圖像（MXene/Mg(II)：灰色；紡織品：纖維線）。(e,f) 單位空間中Ti3C2涂層紡織品的三維Micro-CT圖像（灰色）。(g,h) 單位空間中Ti3C2/Mg(II)涂層紡織品的三維Micro-CT圖像（綠色）。
 
 
 
圖4.(a) 過濾測試裝置的示意圖，樣品被夾在真空室內(nèi)的兩個紅色夾具之間（底部）。然后，將其充滿從氣溶膠入口（左側(cè)）進(jìn)入的NaCl顆粒氣溶膠，并通過顆粒分析儀（FMPS，右側(cè)）收集數(shù)據(jù)。(b) 未涂層紡織品以及Ti3C2和Ti3C2/Mg(II)涂層紡織品在5.6 nm至560 nm顆粒范圍內(nèi)的NaCl氣溶膠過濾效率（η）。
 
我們測試了MXene涂層聚酯織物的空氣過濾效率，并展示了通過金屬離子輔助涂層制備的樣品具有優(yōu)異的性能。這種增強(qiáng)的效率歸因于織物纖維內(nèi)更高且更好的MXene薄片負(fù)載，這通過SEM和Micro-CT進(jìn)行的形態(tài)和結(jié)構(gòu)分析得到了證實(shí)。我們在15-30nm范圍內(nèi)的納米粒子中達(dá)到了接近90%的效率，使用了一種簡單、快速且環(huán)保的樣品制備協(xié)議實(shí)現(xiàn)了最先進(jìn)的性能。雖然這些結(jié)果對于將MXene涂層織物用于實(shí)際空氣過濾應(yīng)用是令人鼓舞的，但值得一提的是，我們的空氣過濾器仍然可以在未來的研究中通過優(yōu)化MXene結(jié)構(gòu)、金屬離子的性質(zhì)和濃度以及合適的涂層基材選擇來進(jìn)一步改進(jìn)。
https://doi.org/10.3390/c11010013
 
創(chuàng)新點(diǎn)總結(jié)
1. 材料創(chuàng)新：首次將MXene應(yīng)用于納米粒子空氣過濾
本研究首次系統(tǒng)性地將MXene（Ti?C?）二維材料應(yīng)用于空氣過濾領(lǐng)域，特別是針對15-560納米范圍的納米粒子過濾。MXene作為一種新型二維材料，具有獨(dú)特的層狀結(jié)構(gòu)、高比表面積和豐富的表面官能團(tuán)，這些特性使其成為高效過濾材料的理想選擇。文獻(xiàn)指出，雖然MXene已在多個領(lǐng)域得到應(yīng)用，但在空氣過濾方面的研究僅占MXene文獻(xiàn)的約0.2%，因此這一應(yīng)用方向具有顯著的新穎性1。

2. 工藝創(chuàng)新：金屬離子輔助涂層技術(shù)
研究團(tuán)隊開發(fā)了一種創(chuàng)新的金屬離子輔助涂層方法，具體特點(diǎn)包括：
使用Mg²?離子（來自MgCl?溶液）改善MXene在聚酯纖維上的負(fù)載和分布
通過靜電相互作用增強(qiáng)MXene-MXene和MXene-纖維間的結(jié)合力
實(shí)現(xiàn)了更密集、更均勻的涂層結(jié)構(gòu)，孔隙率從70%降至65%
顯著提高了涂層的質(zhì)量和纖維周圍MXene薄片的聚集程度

3. 性能突破：在關(guān)鍵粒徑范圍實(shí)現(xiàn)高效率

該研究在納米粒子過濾性能上取得了重要突破：
· 在15-30納米的關(guān)鍵粒徑范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了約90%的過濾效率
· 相比未涂層聚酯織物，過濾效率提高了約25%
· 通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化增加了過濾介質(zhì)的幾何曲折度，創(chuàng)造了更復(fù)雜的顆粒捕獲路徑
· MXene的帶電極性表面可能增強(qiáng)了納米粒子的捕獲能力12

4. 潛在功能創(chuàng)新：自清潔機(jī)制設(shè)計

文獻(xiàn)提出了該過濾系統(tǒng)可能具備的自清潔功能：
· 利用MXene固有的金屬導(dǎo)電性和熱性能
· 通過焦耳加熱效應(yīng)實(shí)現(xiàn)自清潔
· 這一設(shè)計可延長過濾器的使用壽命，減少維護(hù)需求
· 為未來智能過濾器的開發(fā)提供了新思路1

5. 方法學(xué)創(chuàng)新：多尺度表征技術(shù)應(yīng)用

研究采用了先進(jìn)的多尺度表征方法來評估過濾器的性能：
· 結(jié)合SEM/EDS進(jìn)行表面形貌和元素分布分析
· 使用微計算機(jī)斷層掃描(Micro-CT)進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)重建和定量分析
· 通過孔隙率和MXene負(fù)載量的精確測量建立結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系
· 采用快速遷移率粒子計數(shù)器(FMPS)進(jìn)行精確的過濾效率評估12

6. 環(huán)保與可擴(kuò)展性創(chuàng)新

該研究在方法上注重環(huán)保和工業(yè)化潛力：
· 采用簡單、快速且環(huán)保的樣品制備工藝
· 使用低成本聚酯織物作為基底材料
· 涂層工藝可擴(kuò)展，與現(xiàn)有工業(yè)技術(shù)兼容
· 為大規(guī)模生產(chǎn)高性能空氣過濾器提供了可行方案

轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號