精确的离子筛分技术在环境、资源及能源等多个领域均具有重要意义。例如，为了完成高效的卤水提锂，实现Li+与卤水中伴生阳离子的准确分离至关重要；而在海水淡化过程中，Na+，Cl-与水分子的有效分离则是该项技术的瓶颈所在。为了实现不同应用环境下的离子的有效、快速筛分，构建与离子体系精确匹配的微观受限通道至关重要。近年来，利用二维纳米材料平行堆叠而成的分离薄膜，在分子筛分，气体分离等多个领域表现出了较大潜力，成为膜分离技术领域的热门课题。然而，在应用于水环境的离子筛分时，由于水分子及离子的自发插层，导致膜内受限通道发生溶胀现象，最终使得离子筛分效率远低于理论预测。为了改善二维层状膜的耐溶胀性能，研究者们开展了相关的研究工作。此前，西安建筑科技大学王磊教授团队提出利用海藻酸盐凝胶在膜内形成柱撑结构，可显著提升膜结构的稳定性，但是该方法仅能将膜内通道稳定于单一尺寸（Nat.Commun. 11, 3540 (2020)）。如何在有效抑制薄膜溶胀趋势的基础上，进一步实现对受限通道尺寸的精确调节，以应对不同级别的离子筛分需求，仍具有较大难度。针对上述问题，王磊教授团队王琎等人在国际著名期刊ACS Nano上发表题为“Precisely Tunable Ion Sieving with an Al13-Ti3C2Tx Lamellar Membrane by Controlling Interlayer Spacing“的研究工作。在本研究中，研究者采用二维纳米材料Ti3C2Tx与keggin Al13离子进行复合层状薄膜的制备，通过调整Al13离子的掺量与制备条件，实现了薄膜结构从2.7-11.2 Å范围内的精确调节；在不同尺寸的受限通道内离子传输行为与机理研究的基础上，作者对膜结构进行了定向设计，并探索了其在实际离子分离过程的应用研究。https://dx.doi.org/10.1021/acsnano.0c05649
图2. Ti3C2Tx层状薄膜结构稳定性。a 原始Ti3C2Tx 薄膜在不同水溶液中的层间距，b Al13-Ti3C2Tx 薄膜在不同水溶液中的层间距稳定性，c Al13掺量及制备条件对薄膜层间距影响，d Al13插层策略与文献报道控制层间距方法比较
通过对比Al13插层前后膜结构变化可以发现，对于原始Ti3C2Tx薄膜，由于自发插层现象，薄膜的层间距极易受到所处溶液环境的影响，当层间引入Al13后，可有效抑制溶胀现象，Al13-Ti3C2Tx薄膜结构在不同溶液中均保持了较好的一致性。在此基础上，通过改变Al13在薄膜中掺量，或者调整Al13制备条件，可以有效的实现对受限通道尺寸在较大范围内（2.7-11.2 Å）的精确调节，该特性显示了Al13-Ti3C2Tx薄膜应用于不同离子选择体系的潜力，可实现根据不同的离子筛分需求，定向选择所匹配膜结构。
图3 Al13-Ti3C2Tx薄膜离子筛分特性 a,b 原始Ti3C2Tx薄膜与Al13-Ti3C2Tx（11.5 Å）薄膜内离子扩散速度对比，c 离子价态与离子传输速度对比，d 不同间距Al13-Ti3C2Tx薄膜内离子传输速度对比， e 长期浸泡处理后薄膜内NaCl扩散速度变化，f NaCl and MgCl2连续扩散实验，g Al13-Ti3C2Tx薄膜NaCl 截留率与水通量与薄膜厚度的关系，h Al13-Ti3C2Tx（11.5 Å）薄膜脱盐性能对比，i Al13-Ti3C2Tx （20.0 Å）薄膜H+/Fe2+分离性能对比
对比原始Ti3C2Tx薄膜与Al13-Ti3C2Tx-11.5 Å（ATM-11.5）薄膜内离子扩散速度发现，各离子扩散速度在ATM-11.5薄膜的中的速度发生了明显的减少，进一步分析发现，一方面，具有相同价态的离子在膜内趋向于保持相同的扩散速度，此外，由于不同价态离子的扩散速度相对于其在原始膜内速度下降比例不同，最终使得低价/高价阳离子的分离性能出现较大提升。对于具有相对较大层间尺寸薄膜ATM-20.0，Na+扩散速度相对于ATM-11.5表现出较大提高，而多价离子的扩散速度则变化不大，这进一步提升了薄膜对不同价态阳离子分离性能。为了探索Al13-Ti3C2Tx薄膜在实际离子筛分过程中应用的可能性，研究首先对Al13-Ti3C2Tx薄膜的长期稳定性与可重复使用性进行了验证。在此基础上，该研究分别选择了具有不同尺寸受限通道的薄膜进行了正渗透脱盐与冶金工业废水酸回收的应用，结果证明通过对Al13-Ti3C2Tx薄膜的定向选择，可以满足实际场景中不同离子分离需求。
