第一作者：Jingjing Lei
通讯作者：马杰
通讯单位：同济大学
研究速览
近期，同济大学马杰团队在Chemical Science上报道了一种具有防污活性的电去离子Ti3C2TxMXene/碳纳米纤维多功能电极。结垢、腐蚀和生物结垢给工业循环冷却水系统带来巨大的经济影响和潜在的安全隐患。通过电极的合理设计和构造，电容去离子（CDI）技术有望同时解决这三个问题。通过静电纺丝制备的柔性自支撑Ti3C2Tx MXene/碳纳米纤维膜，用作具有高性能防污和抗菌活性的多功能CDI电极。桥接二维（2D）Ti3C2Tx纳米片与一维（1D）碳纳米纤维形成三维（3D）互连导电网络结构，加速电子和离子的传输和扩散动力学。同时，碳纳米纤维的开孔骨架锚定了Ti3C2Tx，减轻了Ti3C2Tx纳米片的自堆叠，扩大了Ti3C2Tx纳米片层间空间，从而提供了更多的离子存储位点。双电层伪电容耦合机制赋予制备了Ti3C2Tx /CNF-14膜高脱盐能力（60 mA g-1时为73.42±4.57 mg g-1）、快速脱盐速率（100 mA g-1时为3.57±0.15 mg g-1 min-1）和更长的循环寿命，优于其他碳和MXene基电极材料。更重要的是，由于Ti3C2Tx纳米片具有理想的亲水性、良好的分散性和充分暴露的锋利边缘，Ti3C2Tx/CNF-14同时对大肠杆菌具有高效的灭活效率，在4小时内达到99.89%。此研究通过精心设计的电极材料的固有特性来关注微生物的杀灭，成为触发高性能多功能CDI电极材料用于循环冷却水处理的新引擎。
要点分析
要点一：材料的合成：在该论文中，作者制备了用于循环冷却水处理的Ti3C2TxMXene/碳纳米纤维抗菌防污多功能电极。静电纺丝技术分散了关键材料MXene纳米片，并开发了具有自支撑能力的多功能电极。
要点二：独特的三维结构：在该论文中，作者通过桥接二维（2D）Ti3C2Tx纳米片一维（1D）碳纳米纤维形成三维（3D）互连导电网络结构，加速电子和离子的传输和扩散动力学。同时，碳纳米纤维的开孔骨架锚定了Ti3C2Tx，减轻了Ti3C2Tx纳米片的自堆叠，并扩大了Ti3C2Tx纳米片层间空间，从而提供了更多的离子存储位点。双电层伪电容耦合机制赋予了Ti3C2Tx /CNF-14膜高脱盐能力（60 mA g-1时为73.42±4.57 mg g-1）、快速脱盐速率（100 mA g-1时为3.57±0.15 mg g-1 min-1）和更长的循环寿命。
要点三：杀菌机理：在该论文中， Ti3C2Tx纳米片具有理想的亲水性、良好的分散性和充分暴露的锋利边缘，使得Ti3C2Tx/CNF-14对大肠杆菌具有令人印象深刻的灭活效率，在4小时内达到99.89%。
图文导读
图 1. （a） Ti3C2Tx/CNF制备示意图。蚀刻的Ti3C2Tx（b）、剥离的Ti3C2Tx（c）和Ti3C2Tx/PAN（d）的TEM图像。（e）Ti3C2Tx/PAN的SEM图像和相应的元素分布图。
图 2. （a）具有不同Ti3C2Tx浓度的纺丝纳米纤维膜的光学图像（切割直径为25 mm）。PAN纳米纤维膜（b）、Ti3C2Tx/PAN-1（c）、Ti3C2Tx/PAN-3（d）、Ti3C2Tx/PAN-5（e）、Ti3C2Tx/PAN-10（f）和Ti3C2Tx/PAN-14（e）的SEM图像。Ti3C2Tx/CNF-14的（i）水接触角和（h）柔性的光学图像；（j）不同Ti3C2Tx浓度的纺丝纳米纤维膜的TGA曲线。
图 3. 样品的XRD谱图（a）、FTIR数据（b）和拉曼光谱（c）。（d）Ti3C2Tx/CNF-14、Ti3C2Tx/PAN-14和PAN的XPS总谱图。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光谱图。
图 4.（a）Ti3C2Tx/CNF-14在不同扫描速率下的CV曲线。（b）在50mV s-1下CNF和Ti3C2Tx/CNF-14的CV曲线。（c）不同电流密度下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图。（f）Ti3C2Tx/CNF-14在2 A g-1下的长期GCD试验。
图 5. （a）用薄膜样品处理4 h后，在NA板上培养的大肠杆菌的照片（0%、1%、3%、5%、10%和14%分别参考样品CNF、Ti3C2Tx/CNF-1、Ti3C2Tx/CNF-3、Ti3C2Tx/CNF-5、Ti3C2Tx/CNF-10和Ti3C2Tx/CNF-14）。（b）所有薄膜样品对大肠杆菌的灭活效果。使用生理盐水中的大肠杆菌悬浮液（无膜样品）作为对照。（c）基于Chick模型的消毒动力学线性拟合图。（d）Ti3C2Tx/CNF-14对大肠杆菌的灭活示意图。
图 6. Ti3C2Tx/CNF-14在不同电流密度（a）、截止电压（b）和NaCl初始浓度（c）下的脱盐能力和脱盐率。（d）在100 mA g-1下，Ti3C2Tx/CNF-14的循环和再生性能。（e） 在不同电流密度下CNF和Ti3C2Tx/CNF-14的脱盐能力。（f）Ti3C2Tx/CNF-14与其他碳和MXene基电极材料的脱盐性能比较。（g）Ti3C2Tx/CNF-14对CaCl2、MgCl2和KCl的质量和摩尔脱盐能力。（h）Ti3C2Tx/CNF-14对混合离子溶液（向上）和循环冷却水（向下）的TDS去除能力。插图显示的是电导率变化。（i）Ti3C2Tx/CNF-14电容去离子示意图。
图 7. CNF和Ti3C2Tx界面吸附Na（a）和Cl（b）的电荷密度差异。（c）CNF、Ti3C2Tx和Ti3C2Tx/CNF的Na和Cl吸附能。（d）CNF、Ti3C2Tx和Ti3C2Tx/CNF的DOS谱图。
结论
综上所述，作者制备了用于高性能电容去离子、防污和抗菌活性的Ti3C2Tx MXene/碳纳米纤维柔性自支撑膜的多功能电极。
1）1D CNF桥接2D Ti3C2Tx纳米片形成的独特3D构型赋予了Ti3C2Tx/CNF-14改善的韧性、亲水性、电化学性能和锋利边缘的充分暴露。
2）作为CDI电极，所制备的Ti3C2Tx/CNF-14膜协同双电层机制和伪电容效应，提供了高脱盐性能。
3）此外，Ti3C2Tx/CNF-14对大肠杆菌显示出有趣的抗菌活性。
这项工作为丰富CDI电极材料的选择范围提供了新的启发，并对扩大CDI在循环冷却水处理中的应用具有积极作用。
全文链接：
参考文献：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