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本研究由北京航空航天大学材料科学与工程学院的王启峰（Qifeng Wang）、魏佳琦（Jiaqi Wei）、庞震（Zhen Pang）、孟淑娟（Shujuan Meng）、李晓虎（Xiaohu Li）和梁大为（Dawei Liang）等研究人员，以及北京大学环境科学与工程学院的吴庆浩（Qinghao Wu）共同完成。通讯作者为梁大为（Dawei Liang）。该研究发表于 Journal of Membrane Science 第758卷，文章编号126046，于2026年8月13日在线发表。
本研究所属的科学领域为电化学分离与膜科学，具体聚焦于电化学离子泵（Electrochemical Ion Pumping, EIP）技术中的膜电极设计与离子选择性传输机制。传统电吸附（Electrosorption, ES）技术在充电和放电半周期之间通过物理切换溶液来实现离子的吸附与释放，这一过程导致溶液回流混合、操作不连续以及能量损失。EIP策略通过以电路切换替代溶液切换，使离子在膜电极的两侧分别发生吸附与释放，从而实现准连续（pseudo-continuous）的离子分离。然而，实现EIP要求膜电极同时具备电子导电性、溶液隔离能力、快速离子传输性能以及本征离子选择性，这对现有材料提出了很高要求。本研究旨在通过制备抗溶胀的自支撑Ti₃C₂Tₓ MXene膜电极，满足电路切换型EIP对膜电极的综合性能需求，并系统阐明MXene层状膜电极在EIP条件下的结构-传输-稳定性权衡关系。
研究流程包括材料制备、膜电极改性、静态离子传输测试、电化学表征以及EIP性能评估五个主要环节。首先，研究者通过液相剥离法制备了Ti₃C₂Tₓ MXene纳米片。具体方法为：将2 g LiF溶于40 mL 9 M盐酸中，随后加入2 g Ti₃AlC₂粉末，在35 °C下搅拌48小时进行刻蚀，再通过离心洗涤至中性，最后在冰浴中超声剥离2小时，离心收集上清液获得MXene分散液。所得纳米片在中性pH条件下zeta电位为-28.6 mV，显示出良好的胶体稳定性。第二步，通过真空辅助过滤（VAF）将MXene分散液沉积在聚醚砜（PES）微孔滤膜上，形成自支撑膜电极。膜厚度通过控制沉积量调节，最佳负载量为8 mg cm⁻²，对应厚度约25 μm。为了抑制MXene膜在水中的溶胀并提高机械稳定性，研究者采用热诱导层间自交联和聚乙烯醇/单宁酸（PVA/TA）复合改性两种策略。热交联在30至180 °C下进行12小时，利用相邻纳米片间的脱羟基反应（Ti-OH + Ti-OH → Ti-O-Ti + H₂O）锁定层间距。PVA/TA改性则通过将PVA溶液与MXene分散液混合后过滤，再缓慢加入单宁酸溶液并继续过滤至干，最后在80 °C真空干燥12小时完成。第三步，利用H型装置进行浓度梯度驱动的离子渗透实验，盐侧填充各0.2 M的混合离子溶液，另一侧为去离子水，通过电导率仪和离子色谱测定离子渗透速率与选择性系数。第四步，通过X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、拉伸测试、循环伏安法（CV）和电化学阻抗谱（EIS）对改性膜电极的层间距、形貌、机械性能和电化学行为进行表征。第五步，构建以铁氰化钾/亚铁氰化钾为氧化还原电解质的EIP测试系统。MXene膜电极分隔进料室和浓缩室，离子交换膜限制氧化还原电解质与盐水直接混合。通过多通道电子继电器周期性反转外电路极性，实现阳离子在膜电极两侧的交替吸附与脱附。脱盐实验使用100 mM LiCl溶液，离子选择性实验使用等摩尔浓度（10 mM）的混合阳离子溶液，通过在线电导率仪和离子色谱实时监测离子浓度变化。
研究的主要结果可以从静态离子筛分性能、改性膜电极的结构与电化学特性以及EIP动态分离性能三个层面进行阐述。在静态离子渗透实验中，离子扩散速率随MXene负载量增加而降低，8 mg cm⁻²负载量下的离子渗透率与商用阳离子交换膜相当。热处理进一步降低离子扩散，但180 °C高温会导致膜产生孔隙和缺陷，反而降低致密性和离子筛分能力。在选择性方面，MXene层状纳米通道对阳离子的选择性渗透顺序为NH₄⁺ > K⁺ > Na⁺ > Li⁺ ≫ Ca²⁺ > Mg²⁺，NH₄⁺/Mg²⁺选择性系数约为22，Li⁺/Mg²⁺选择性系数约为10。这一顺序与离子水合尺寸和脱水能的综合作用一致，表明筛分机制以空间位阻为主。XRD结果表明，原始MXene膜在湿态下d间距从12.0 Å膨胀至16.4 Å，增加4.4 Å；而热交联膜和PVA/TA改性膜的湿态层间距变化分别降低至0.8 Å和0.6 Å，有效抑制了溶胀。扣除单层MXene纳米片约1 nm的理论厚度后，有效湿态纳米通道高度接近常见单价阳离子的水合尺寸，允许部分脱水的低价阳离子通过，而阻碍水合半径更大、脱水能更高的二价阳离子。PVA/TA网络虽然略微增加传输阻力，但显著改善了膜在15天水浸泡中的宏观完整性和机械强度。CV曲线显示MXene膜电极在负电位区表现出典型的赝电容响应，对应阳离子嵌入；在正电位区，表面负电荷官能团对阴离子产生强静电排斥，CV面积显著收缩，进一步证实了本征阳离子选择性。增加PVA含量会降低比电容并增大阻抗，10 wt% PVA被选定为EIP测试的最佳平衡点。在EIP动态测试中，离子通量随外加电压增加而增大。超短半周期（0.6 s）操作使浓度波动在每个周期内变小，宏观呈准连续趋势。与60 s半周期相比，0.6 s半周期使离子通量提高约9.4%，电荷效率提高约28.5%。机理在于短周期操作使电极始终处于高速率、低容量利用的不饱和状态，平均电流较高，电极极化显著降低，抑制了寄生法拉第反应。在0.8 V恒压、6 s半周期条件下进行20小时连续脱盐测试，进料侧离子浓度持续下降，浓缩侧持续上升，离子通量保持约0.152 μmol cm⁻² min⁻¹，但系统总电荷效率仅为55.1%。低电荷效率主要归因于膜中微观缺陷导致的阴离子反向渗透以及MXene在阳极极化下发生不可逆法拉第氧化，生成TiO₂并释放H⁺，使浓缩室和进料室pH分别降至2.32和4.53。在混合阳离子体系中，EIP系统在1.0 V下动态选择性顺序与静态扩散实验结果定性一致，NH₄⁺/Mg²⁺选择性系数约为12，Li⁺/Mg²⁺选择性系数约为7。动态选择性低于静态值，反映了电场驱动迁移、吸附/脱附动力学、膜缺陷、pH下降和H⁺竞争等多重因素的共同影响。
本研究的主要结论是：通过热诱导层间自交联与PVA/TA复合改性制备的自支撑Ti₃C₂Tₓ MXene膜电极，在电路切换型EIP中成功实现了电子导电、限域离子传输和单价阳离子选择性筛分的功能耦合。稳定的亚纳米层状通道在静态扩散条件下表现出单价阳离子优先传输，该选择性顺序在电场驱动EIP下基本得以保持，但动态选择性系数较静态有所降低。超短半周期操作有效提高了动态离子通量和电荷效率。同时，长期测试揭示了MXene在阳极极化下的不可逆氧化是限制电荷效率的关键瓶颈。该研究的科学价值在于系统阐明了MXene层状膜电极在EIP中的结构-传输-稳定性权衡关系，明确了通道稳定性、电导率、机械强度与离子渗透性之间的平衡需求。应用价值体现在为基于二维材料的电化学连续选择性分离提供了膜电极设计策略，对水处理、资源回收和选择性离子分离等领域具有潜在意义。研究亮点包括：首次将抗溶胀自支撑MXene膜电极用于电路切换型EIP系统；通过热交联与聚合物网络复合改性实现了湿态层间距的精确控制；揭示了短半周期操作提高电荷效率的动力学机制；明确了动态选择性低于静态选择性的多重影响因素。未来研究应优先发展抗氧化涂层、更致密但可渗透的交联策略以及层间功能化方法，以在保持单价阳离子通量的同时减少副反应和缺陷，推动高稳定性、高选择性二维材料电化学分离走向实际应用。