本研究由Zhengyi Huang、Mengmeng Jia、Yanna Wu、Haojie Chen、Shuming Li、Zong Lu、Yanying Wei和Haihui Wang等人完成，主要作者来自华南理工大学化学与化工学院制浆造纸工程国家重点实验室、衢州膜材料创新研究院以及清华大学化学工程系膜材料与工程北京市重点实验室。通讯作者为Zong Lu、Yanying Wei和Haihui Wang。该论文发表于AIChE Journal，于2025年11月1日被接收，2026年正式出版，doi为10.1002/aic.70153。

本研究的学术背景是盐湖卤水提锂领域。随着全球能源转型的推进，锂作为清洁能源发展的核心资源，在电子设备和新能源汽车中具有不可替代的地位。全球约65%的锂资源储存于盐湖中，但盐湖卤水中高浓度的镁离子（Mg²⁺）与锂离子（Li⁺）具有相似的离子水合特性和化学性质，使得锂的高效提取面临重大挑战。在众多分离技术中，纳滤（nanofiltration, NF）膜因具有亚纳米孔结构而成为锂镁分离的有力手段。传统的纳滤膜通常通过界面聚合（interfacial polymerization, IP）在多孔基底上形成聚酰胺（polyamide, PA）活性层，但常用微滤基底存在孔径不均匀、表面粗糙度高等问题，导致胺单体扩散不可控，形成缺陷较多且较厚的活性层，严重制约膜的通量和选择性。已有研究采用插层（interlayer）策略调控胺单体的扩散行为，其中二维材料因其大横向尺寸和丰富的末端官能团而备受关注。本研究的目的在于通过在界面聚合过程中引入氨基化MXene插层，实现对PA层结构的精确调控和膜表面电荷性质的优化，从而同时提高锂镁选择性和水渗透率。

研究的工作流程可细化为多个环节。首先，研究者通过最小强度层剥离法（minimally intensive layer delamination method, MILD）制备MXene（Ti₃C₂Tx）纳米片。将氟化锂（LiF）加入盐酸和去离子水混合溶液中，再加入Ti₃AlC₂（MAX）粉体在35°C下搅拌反应24小时，随后多次洗涤离心至pH超过6，超声分散后得到浓度为5 mg/ml的MXene胶体分散液。透射电子显微镜和原子力显微镜表征证实所得纳米片为单层结构，厚度约1.6 nm，平均横向尺寸约2 μm。

第二步是插层的构建与氨基化改性。将少量MXene纳米片通过真空抽滤沉积在聚醚砜（polyethersulfone, PES）超滤基底上，形成超薄MXene插层。随后将0.1 wt%的3-氨丙基三乙氧基硅烷（3-aminopropyltriethoxysilane, APTES）溶液加入抽滤装置并静置30分钟，通过硅烷化反应在MXene表面接枝氨基，得到带正电荷的氨基化MXene插层。X射线光电子能谱证实了Si元素的引入和C、N元素含量的增加，X射线衍射图谱中（002）峰向左偏移表明APTES分子插入MXene层间并增大了层间距，Zeta电位测试显示该插层表面电位高达+22.6 mV。

第三步是界面聚合制备纳滤膜。将氨基化MXene插层浸泡在不同浓度（0.15 wt%、0.2 wt%、0.5 wt%和1 wt%）的哌嗪（piperazine, PIP）水溶液中5分钟，去除表面水分后加入含0.15 wt%均苯三甲酰氯（trimesoyl chloride, TMC）的正己烷溶液反应1分钟，再用正己烷淋洗并在60°C下热处理5分钟以保证完全交联，最终得到TFN-am膜。作为对照，研究者还制备了不含APTES改性的MXene插层膜（TFNm）和无插层的薄膜复合膜（thin film composite, TFC）。扫描电镜观察显示TFN-am膜表面呈现均匀的褶皱结构，当PIP浓度从0.15 wt%升高至1 wt%时，PA层厚度从约12 nm增加到56 nm；而无插层的TFC膜在低浓度PIP条件下难以形成连续完整的PA层，只有浓度达到1 wt%时才能形成约300 nm厚的PA层。这一对比表明氨基化MXene插层使PA层厚度降低了约80%。

第四步是膜结构的系统表征。衰减全反射傅里叶红外光谱证实三种膜均在1625 cm⁻¹处出现N–C=O官能团的特征吸收，说明PA活性层成功构建。X射线光电子能谱分析计算出TFC、TFNm和TFN-am膜的PA交联度分别为72.7%、77.8%和81.6%，表明插层的引入促进了更有序的IP反应，形成了更致密的PA网络。原子力显微镜显示TFN-am膜表面粗糙度从TFC膜的54 nm增加到77 nm。通过聚乙二醇（polyethylene glycol, PEG）截留实验测得TFN-am膜的截留分子量为390 Da，对应的Stokes半径为0.389 nm。

第五步是分离性能评价。在5 bar操作压力下，PES基底的水渗透率约为6500 L m⁻² h⁻¹ bar⁻¹，加载MXene插层后显著下降。TFN-am膜的纯水渗透率达到12.5 L m⁻² h⁻¹ bar⁻¹，相比TFC膜的约8 L m⁻² h⁻¹ bar⁻¹提高了约1.5倍。对单一盐溶液的截留测试中，TFN-am膜对MgCl₂的截留率达到93.5%，而LiCl截留率仅为46%，显示出明显的电荷选择性。在模拟盐湖卤水条件下（Li⁺与Mg²⁺摩尔比为1:20的混合溶液），TFN-am膜的Li⁺/Mg²⁺选择性达到17.5，显著优于TFC膜和TFNm膜。此外，对Na₂SO₄和MgSO₄的截留率均超过95%。在100小时的长期稳定性测试中，TFN-am膜的水渗透率稳定在11.6 L m⁻² h⁻¹ bar⁻¹左右，MgCl₂截留率保持在93%以上。

本研究的主要结论是，通过在界面聚合过程中引入氨基化MXene插层，成功制备了超薄且带正电荷的纳滤膜，实现了锂镁分离性能的同时提升。其科学价值在于揭示了二维插层对胺单体扩散的调控机制以及表面电荷对Donnan排斥效应的增强作用，为纳滤膜结构-性能关系的理解提供了新的实验依据。在应用价值方面，该策略操作简便，且可通过成熟的涂布或沉积技术实现规模化放大，为盐湖卤水提锂提供了具有工业潜力的膜材料设计思路。

本研究的亮点包括：首次将氨基化MXene插层用于锂镁分离纳滤膜的制备，通过插层的“曲折效应”（tortuous effect）和正电荷表面协同实现了PA层厚度的六倍降低和膜表面正电荷密度的显著提高；所制备的TFN-am膜在保持较高水渗透率的同时获得了优异的Li⁺/Mg²⁺选择性，克服了传统纳滤膜在通量与选择性之间的权衡限制；此外，研究系统比较了无插层、未改性MXene插层和氨基化MXene插层三种膜的结构与性能，清晰阐明了插层化学性质对IP过程和膜分离性能的影响规律。