近日，清华大学的王海辉教授与华南理工大学的魏嫣莹研究员合作，在国际权威期刊Angewandte Chemie International Edition 上发表题为“A Lamellar MXene (Ti₃C₂Tx)/PSS Composite Membrane for Fast and Selective Lithium-Ion Separation”的通讯文章。该文章通过实验探究结合理论模拟的手段证实了限域尺寸和化学环境两者协同作用对离子传输以及目标离子选择性分离的影响规律，为后续二维材料膜在离子的选择性分离领域提供了指导和理论支撑。

图1. 限域二维MXene通道与化学环境对离子选择性分离示意图。

本文有两个主要的创新点：

一、有效限域通道的构建。作者利用自交联手段对二维材料膜的层间距进行抗溶胀控制，稳定二维通道。通过后修饰PSS链状聚合物对层间通道进行微调，在保证截留性能的同时获得理想尺寸的限域通道，并且后修饰的链状聚合物含有丰富的磺酸根（-SO₃^-）为限域通道提供了特异性的化学环境，通过限域通道以及化学环境的协同作用，实现对锂离子的快速传输以及对其它离子的有效截留。该膜对二元混合离子溶液（Li⁺/Na⁺, Li⁺/K⁺, Li⁺/Mg²⁺）展现出优秀的Li⁺选择性，Li⁺渗透速率为0.08 mol m^-2 h^-1, Li⁺/Mg²⁺, Li⁺/Na⁺, Li⁺/K⁺选择性分别为28，15.5，12.7。

二、通过模拟计算佐证限域通道与化学环境的协同作用。通过模拟计算对不同尺寸下限域通道内的离子水合状态以及化学环境对离子输运的影响进行探究，为离子在限域条件下的水合状态提供了理论参考，并且证明了限域通道结合特异化学环境后，对水合离子的选择性传输有何种影响。为后续限域环境下的离子选择性运输行为提供了理论支撑。

当前对二维限域通道的了解和研究仍然有限，这也是未来二维材料膜研究的突破口，由于二维材料大多数含有含氧官能团，在溶液中及其容易产生溶胀现象，扩张膜通道，损坏膜结构，丧失分离性能。因此，如何有效控制二维材料膜的溶胀效应，并将通道尺寸与通道内化学环境相结合，来考虑两者的协同效应对分离体系的影响是后续研究过程中需要着重研究的重点。而本文作者有效构筑二维离子选择性分离通道，对后续精密原件（人工肾脏和视网膜）、传感器（多离子浓度检测器）、纳米流体装置（离子二极管）的研究和制备有重要的指导意义。

详见：Angewandte Chemie International Edition

2021年 https://doi.org/10.1002/anie.202108801 DOI：10.1002/anie.202108801