納米粒子由于其體積小和表面積大，對人類健康構成嚴重問題。盡管材料科學在開發空氣修復技術方面取得了持續進展，但有效的納米粒子過濾仍然具有挑戰性。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納米范圍內實現了約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射線計算機斷層掃描（CT）徹底評估了結構-性能關系。這些技術證實了金屬離子在獲得完全涂層和浸漬織物中的關鍵作用，這增加了曲折度和結構特征，從而提高了最終過濾效率。我們的工作為使用MXene織物進行納米粒子過濾提供了新穎的視角，并為實際應用中生產高性能空氣過濾器提供了可行的替代方案。
自2011年發現以來，MXenes——最大的二維（2D）材料家族——已在許多應用中進行了探索，包括電子、電磁干擾屏蔽、能量存儲、催化、傳感和生物醫學。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材料通過濕化學蝕刻和分層協議從其塊狀MAX相前體合成。MXenes具有獨特且多功能的特性，如金屬電導率、可調電化學和等離子體特性、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模合成，還可以擴展到利用已建立技術（如HF和HCl）的大型工業應用，如石油和半導體制造業。
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）進入的NaCl顆粒氣溶膠，并通過顆粒分析儀（FMPS，右側）收集數據。(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異的性能。這種增強的效率歸因于織物纖維內更高且更好的MXene薄片負載，這通過SEM和Micro-CT進行的形態和結構分析得到了證實。我們在15-30nm范圍內的納米粒子中達到了接近90%的效率，使用了一種簡單、快速且環保的樣品制備協議實現了最先進的性能。雖然這些結果對于將MXene涂層織物用于實際空氣過濾應用是令人鼓舞的，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化MXene結構、金屬離子的性質和濃度以及合適的涂層基材選擇來進一步改進。
https://doi.org/10.3390/c11010013
創新點總結
1. 材料創新：首次將MXene應用于納米粒子空氣過濾
本研究首次系統性地將MXene（Ti?C?）二維材料應用于空氣過濾領域，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，具有獨特的層狀結構、高比表面積和豐富的表面官能團，這些特性使其成為高效過濾材料的理想選擇。文獻指出，雖然MXene已在多個領域得到應用，但在空氣過濾方面的研究僅占MXene文獻的約0.2%，因此這一應用方向具有顯著的新穎性1。
2. 工藝創新：金屬離子輔助涂層技術
研究團隊開發了一種創新的金屬離子輔助涂層方法，具體特點包括：
使用Mg²?離子（來自MgCl?溶液）改善MXene在聚酯纖維上的負載和分布
通過靜電相互作用增強MXene-MXene和MXene-纖維間的結合力
實現了更密集、更均勻的涂層結構，孔隙率從70%降至65%
顯著提高了涂層的質量和纖維周圍MXene薄片的聚集程度
3. 性能突破：在關鍵粒徑范圍實現高效率
該研究在納米粒子過濾性能上取得了重要突破：
· 在15-30納米的關鍵粒徑范圍內實現了約90%的過濾效率
· 相比未涂層聚酯織物，過濾效率提高了約25%
· 通過結構優化增加了過濾介質的幾何曲折度，創造了更復雜的顆粒捕獲路徑
· MXene的帶電極性表面可能增強了納米粒子的捕獲能力12
4. 潛在功能創新：自清潔機制設計
文獻提出了該過濾系統可能具備的自清潔功能：
· 利用MXene固有的金屬導電性和熱性能
· 通過焦耳加熱效應實現自清潔
· 這一設計可延長過濾器的使用壽命，減少維護需求
· 為未來智能過濾器的開發提供了新思路1
5. 方法學創新：多尺度表征技術應用
研究采用了先進的多尺度表征方法來評估過濾器的性能：
· 結合SEM/EDS進行表面形貌和元素分布分析
· 使用微計算機斷層掃描(Micro-CT)進行三維結構重建和定量分析
· 通過孔隙率和MXene負載量的精確測量建立結構-性能關系
· 采用快速遷移率粒子計數器(FMPS)進行精確的過濾效率評估12
6. 環保與可擴展性創新
該研究在方法上注重環保和工業化潛力：
· 采用簡單、快速且環保的樣品制備工藝
· 使用低成本聚酯織物作為基底材料
· 涂層工藝可擴展，與現有工業技術兼容
· 為大規模生產高性能空氣過濾器提供了可行方案
轉自《石墨烯研究》公眾號
