第一作者：Jingjing Lei
通訊作者：馬傑
通訊機關：同濟大學
研究速覽
近期，同濟大學馬傑團隊在Chemical Science上報道了一種具有防污活性的電去離子Ti3C2TxMXene/碳納米纖維多功能電極。結垢、腐蝕和生物結垢給工業循環冷卻水系統帶來巨大的經濟影響和潛在的安全隐患。通過電極的合理設計和構造，電容去離子（CDI）技術有望同時解決這三個問題。通過靜電紡絲制備的柔性自支撐Ti3C2Tx MXene/碳納米纖維膜，用作具有高性能防污和抗菌活性的多功能CDI電極。橋接二維（2D）Ti3C2Tx納米片與一維（1D）碳納米纖維形成三維（3D）互連導電網絡結構，加速電子和離子的傳輸和擴散動力學。同時，碳納米纖維的開孔骨架錨定了Ti3C2Tx，減輕了Ti3C2Tx納米片的自堆疊，擴大了Ti3C2Tx納米片層間空間，進而提供了更多的離子存儲位點。雙電層僞電容耦合機制賦予制備了Ti3C2Tx /CNF-14膜高脫鹽能力（60 mA g-1時為73.42±4.57 mg g-1）、快速脫鹽速率（100 mA g-1時為3.57±0.15 mg g-1 min-1）和更長的循環壽命，優于其他碳和MXene基電極材料。更重要的是，由于Ti3C2Tx納米片具有理想的親水性、良好的分散性和充分暴露的鋒利邊緣，Ti3C2Tx/CNF-14同時對大腸杆菌具有高效的滅活效率，在4小時内達到99.89%。此研究通過精心設計的電極材料的固有特性來關注微生物的殺滅，成為觸發高性能多功能CDI電極材料用于循環冷卻水處理的新引擎。
要點分析
要點一：材料的合成：在該論文中，作者制備了用于循環冷卻水處理的Ti3C2TxMXene/碳納米纖維抗菌防污多功能電極。靜電紡絲技術分散了關鍵材料MXene納米片，并開發了具有自支撐能力的多功能電極。
要點二：獨特的三維結構：在該論文中，作者通過橋接二維（2D）Ti3C2Tx納米片一維（1D）碳納米纖維形成三維（3D）互連導電網絡結構，加速電子和離子的傳輸和擴散動力學。同時，碳納米纖維的開孔骨架錨定了Ti3C2Tx，減輕了Ti3C2Tx納米片的自堆疊，并擴大了Ti3C2Tx納米片層間空間，進而提供了更多的離子存儲位點。雙電層僞電容耦合機制賦予了Ti3C2Tx /CNF-14膜高脫鹽能力（60 mA g-1時為73.42±4.57 mg g-1）、快速脫鹽速率（100 mA g-1時為3.57±0.15 mg g-1 min-1）和更長的循環壽命。
要點三：殺菌機理：在該論文中， Ti3C2Tx納米片具有理想的親水性、良好的分散性和充分暴露的鋒利邊緣，使得Ti3C2Tx/CNF-14對大腸杆菌具有令人印象深刻的滅活效率，在4小時内達到99.89%。
圖文導讀
圖 1. （a） Ti3C2Tx/CNF制備示意圖。蝕刻的Ti3C2Tx（b）、剝離的Ti3C2Tx（c）和Ti3C2Tx/PAN（d）的TEM圖像。（e）Ti3C2Tx/PAN的SEM圖像和相應的元素分布圖。
圖 2. （a）具有不同Ti3C2Tx濃度的紡絲納米纖維膜的光學圖像（切割直徑為25 mm）。PAN納米纖維膜（b）、Ti3C2Tx/PAN-1（c）、Ti3C2Tx/PAN-3（d）、Ti3C2Tx/PAN-5（e）、Ti3C2Tx/PAN-10（f）和Ti3C2Tx/PAN-14（e）的SEM圖像。Ti3C2Tx/CNF-14的（i）水接觸角和（h）柔性的光學圖像；（j）不同Ti3C2Tx濃度的紡絲納米纖維膜的TGA曲線。
圖 3. 樣品的XRD譜圖（a）、FTIR資料（b）和拉曼光譜（c）。（d）Ti3C2Tx/CNF-14、Ti3C2Tx/PAN-14和PAN的XPS總譜圖。Ti3C2Txx/CNF-14的C 1s（e）、O 1s（f）、N 1s（g）、F 1s（h）和Ti 2p（i）的高分辨率XPS光譜圖。
圖 4.（a）Ti3C2Tx/CNF-14在不同掃描速率下的CV曲線。（b）在50mV s-1下CNF和Ti3C2Tx/CNF-14的CV曲線。（c）不同電流密度下Ti3C2Tx/CNF-14的GCD分布。（d）在1000 mA g-1下，CNF和Ti3C2Tx/CNF-14的GCD分布。（e）CNF和Ti3C2Tx/CNF-14的Nyquist圖。（f）Ti3C2Tx/CNF-14在2 A g-1下的長期GCD試驗。
圖 5. （a）用薄膜樣品處理4 h後，在NA闆上培養的大腸杆菌的照片（0%、1%、3%、5%、10%和14%分别參考樣品CNF、Ti3C2Tx/CNF-1、Ti3C2Tx/CNF-3、Ti3C2Tx/CNF-5、Ti3C2Tx/CNF-10和Ti3C2Tx/CNF-14）。（b）所有薄膜樣品對大腸杆菌的滅活效果。使用生理鹽水中的大腸杆菌懸浮液（無膜樣品）作為對照。（c）基于Chick模型的消毒動力學線性拟合圖。（d）Ti3C2Tx/CNF-14對大腸杆菌的滅活示意圖。
圖 6. Ti3C2Tx/CNF-14在不同電流密度（a）、截止電壓（b）和NaCl初始濃度（c）下的脫鹽能力和脫鹽率。（d）在100 mA g-1下，Ti3C2Tx/CNF-14的循環和再生性能。（e） 在不同電流密度下CNF和Ti3C2Tx/CNF-14的脫鹽能力。（f）Ti3C2Tx/CNF-14與其他碳和MXene基電極材料的脫鹽性能比較。（g）Ti3C2Tx/CNF-14對CaCl2、MgCl2和KCl的品質和摩爾脫鹽能力。（h）Ti3C2Tx/CNF-14對混合離子溶液（向上）和循環冷卻水（向下）的TDS去除能力。插圖顯示的是電導率變化。（i）Ti3C2Tx/CNF-14電容去離子示意圖。
圖 7. CNF和Ti3C2Tx界面吸附Na（a）和Cl（b）的電荷密度差異。（c）CNF、Ti3C2Tx和Ti3C2Tx/CNF的Na和Cl吸附能。（d）CNF、Ti3C2Tx和Ti3C2Tx/CNF的DOS譜圖。
結論
綜上所述，作者制備了用于高性能電容去離子、防污和抗菌活性的Ti3C2Tx MXene/碳納米纖維柔性自支撐膜的多功能電極。
1）1D CNF橋接2D Ti3C2Tx納米片形成的獨特3D構型賦予了Ti3C2Tx/CNF-14改善的韌性、親水性、電化學性能和鋒利邊緣的充分暴露。
2）作為CDI電極，所制備的Ti3C2Tx/CNF-14膜協同雙電層機制和僞電容效應，提供了高脫鹽性能。
3）此外，Ti3C2Tx/CNF-14對大腸杆菌顯示出有趣的抗菌活性。
這項工作為豐富CDI電極材料的選擇範圍提供了新的啟發，并對擴大CDI在循環冷卻水進行中的應用具有積極作用。
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參考文獻：Jingjing Lei, Fei Yu, Haijiao Xie, Jie Ma. Ti3C2Tx MXene/Carbon Nanofiber Multifunction Electrode for Electrodeionization with Antifouling Activity. Chemical Science
2023 . DOI: 10.1039/d2sc06946f