类型a：学术研究报告

作者及机构
本研究的通讯作者为浙江师范大学地理与环境科学学院的Liguo Shen教授，第一作者为Hua Li。合作作者包括Hongjun Lin、Saleem Raza、Zhiyu Zhao、Siyuan Chen、Yue Wang、Qianqian Zeng、Cheng Chen和Wei Yu，均来自浙江师范大学及浙江省流域数字智能监测与修复重点实验室。研究发表于《Water Research》期刊，2025年7月24日在线发布，卷286，文章编号124296。

学术背景
本研究属于环境科学与膜分离技术交叉领域，聚焦于高盐染料废水处理难题。工业废水（如印染、纺织、造纸等）中染料与盐分的共存导致传统分离技术难以兼顾效率与成本。膜分离技术虽具有高效环保优势，但面临膜污染（membrane fouling）、渗透性与选择性难以平衡等瓶颈。MXene（二维金属碳氮化物）因其亲水性和表面官能团丰富被视为理想膜材料，但层间作用力弱、结构稳定性差限制了其应用。海藻酸钠（sodium alginate, SA）作为天然多糖聚合物，可通过Ca²⁺桥接形成“蛋盒”（egg-box）交联网络，但此前其在膜分离领域的潜力未充分挖掘。本研究旨在通过Ca²⁺桥接MXene/SA复合膜，协同提升膜的选择性、抗污染性和稳定性。

研究流程与方法
1. 膜制备
- MXene纳米片合成：通过氢氟酸选择性蚀刻MAX相（Ti₃AlC₂）制备Ti₃C₂Tₓ MXene，超声剥离获得单层纳米片（浓度0.1 mg/mL）。
- 复合膜构建：将MXene分散液与SA溶液（1 mg/mL）按体积比（1:1至1:8）混合，搅拌12小时后超声处理10分钟，通过真空辅助过滤技术（压力1 bar）在尼龙基底上成膜，随后浸入5 wt% CaCl₂溶液交联12小时，形成MS1-MS4系列膜，以纯MXene膜（MS0）为对照。
- 交联机制：Ca²⁺通过静电作用与SA的羧基（-COO⁻）结合，取代Na⁺形成三维“蛋盒”网络，增强膜结构稳定性（图1）。

1. 表征与测试

   • 形貌与化学性质：SEM/TEM/AFM显示MS3膜表面粗糙度（Rq=104 nm）显著高于MS0，层状结构更明显；XRD证实SA引入使层间距扩大；FT-IR和XPS验证了SA的羧基与Ca²⁺的配位作用（图2-3）。
     
   • 分离性能：测试水通量（water flux）和染料/盐截留率。MS3膜水通量达270.78±2.06 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹，对分子量>600 Da的染料（如亮蓝G250、刚果红）截留率≥99.5%，而对NaCl截留率仅6%，选择性因子S(EB/NaCl)=783.1（图4）。
     
   • 稳定性与抗污染性：MS3膜在pH 1-13及乙二醇中浸泡48小时后，水下油接触角（UOCA）保持≥145°；过滤腐殖酸（HA）和牛血清蛋白（BSA）后通量恢复率（FRR）分别达86.53%和90.52%（图5-6）。
     

2. 分子模拟与理论计算

   • 分子动力学（MD）模拟：基于CHARMM36力场，采用GROMACS软件模拟SA链与Ca²⁺的相互作用。径向分布函数（RDF）显示Ca²⁺主要分布在SA链3.06 Å处，结合能-258.1 kJ/mol，每个Ca²⁺桥接约1.5个SA单体，形成紧密纳米通道（图7）。
     
   • 密度泛函理论（DFT）：B3LYP/6-311G(d)水平计算表明，Ca²⁺与SA羧基氧的配位强度高于Na⁺，热力学参数（ΔG、ΔH）证实交联反应自发且稳定（图8）。
     

主要结果
1. 结构优化：Ca²⁺诱导SA链规则排列，形成均匀纳米通道，增强分子筛分效应。XRD和AFM证实交联后层间距扩大且表面粗糙度增加，提升了水通量（图2-3）。
2. 性能提升：MS3膜的高选择性源于尺寸筛分（size sieving）和Donnan排斥效应（Donnan exclusion），MXene的负电表面与SA的羧基协同排斥SO₄²⁻（图4d）。
3. 抗污染机制：XDLVO理论分析表明，MS3膜与BSA的总相互作用能为正值（排斥），而MS0膜为负值（吸附），归因于SA引入的负电荷和亲水基团（图6e-f）。

结论与价值
本研究通过Ca²⁺桥接策略构建了高性能MXene/SA复合膜，其科学价值在于：
1. 分子机制：揭示了Ca²⁺与SA的强配位作用（-258.1 kJ/mol）及“蛋盒”网络的稳定机制，为设计抗溶胀膜提供了理论依据。
2. 技术突破：膜的水通量和染料/盐选择性显著优于现有报道（图4e-f），且制备工艺简单、绿色。
3. 应用前景：适用于高盐染料废水处理，实现资源回收与环境治理“双赢”，如全球每年2000亿升染料废水的回用潜力（引言部分数据）。

研究亮点
1. 创新方法：首次将Ca²⁺桥接的SA网络引入MXene层间，结合实验与分子模拟阐明性能增强机制。
2. 多尺度表征：从Å级配位结构（MD模拟）到宏观膜性能（XDLVO理论），建立了完整的结构-性能关系。
3. 实用性强：膜在极端pH和有机溶剂中保持稳定，且通量易通过SA含量调节（MS1-MS4系列）。

其他价值
- 补充材料提供了膜制备的详细化学品列表（SI Text S1）和分离性能测试方法（SI Text S3-S4），数据可通过请求获取。
- 分子模拟的拓扑参数（CHARMM-GUI生成）和DFT计算脚本（ORCA软件包）为后续研究提供了工具参考。

（注：文中图表编号与原文一致，如“图1”对应原文“Fig. 1”）