港城大团队开发新型纳米层状膜可用于特殊场景的淡水处理为二维材料应用寻找突破口

  “如今，相关论文的引用次数已有 2000 多次，包括 27 篇来自 Nature 和 Science 的正刊论文和子刊论文的引用。并有很多同行发邮件询问实验细节和注意事项。

  即使到现在，这样的解决方法仍然是批量制备过渡金属硫族化合物二维材料的最有效方法之一。”对自身的“代表作”，香港城市大学曾志远教授表示。

  近日，在这一方法的基础之上，他和团队再接再厉，研发出一种 1Tʹ-二硫化钼纳米层状膜（下称“层状膜”）。

  图 纳米片和纳米层状膜的制备及透射电子显微镜表征、扫描电子显微镜表征（来源：Advanced Materials）

  在 1000 mV s-1 的扫描速率之下，层状膜可以在一定程度上完成较高的体积比电容、以及较低的电荷转移电阻。

  其内部不仅仅具备纳米通道，而且拥有紧密堆叠的结构，解决了电容去离子法的体积脱盐能力弱的问题。

  电容去离子实验结果为：本次层状膜的体积脱盐容量达 65.1 mgNaCl cm-3。

  X 射线衍射多个方面数据显示：伴随着二硫化钼层间动态的扩展，阳离子的存储容量也会变大，能够容纳 Na+、K+、Ca2+ 和 Mg2+ 等离子。

  据介绍，电容去离子法是基于多孔、密度小的材料发展起来，并能实现优异的质量脱盐性能（指标：mg/g）。

  而在制备本次层状膜的时候，该课题组基于二维过渡金属硫化物材料的特点，将纳米片进行堆积。

  借此形成了紧实的纳米通道，从而在体积脱盐性能上（指标：mg/cm3）实现突破，在有限的空间范围以内实现了脱盐性能的最大化。

  也就是说，通过创新的材料设计策略，层状膜克服了传统电容去离子法在体积脱盐能力上的局限，为解决全球淡水资源短缺问题提供了高效、可持续的新路径。

  该团队表示，在家庭、岛屿、海上平台等场景中，本次层状膜可被用于打造便携式的小型脱盐装置。

  这种小型化装置在使用、拆卸和维护都较为方便。而在若干年之后，或许还能推出商业化的产品。

  当前，地球面临着淡水短缺的严峻挑战。由于工业活动和农业活动，导致水资源污染进一步加剧，对人类健康构成了显著威胁。

  因此，确保充足的淡水资源供应成为一项迫切需求，科学家们也开始将海水和微咸水资源的淡化作为解决方案。

  尽管传统的淡化技术，比如反渗透技术和膜蒸馏技术已被大范围的应用。但是，这一些方法存在能耗较高的缺点。

  而电容去离子法，则是一种既节能、碳足迹又比较低的方法。即便面对浓度小于 1000mg L-1 的低盐度咸水，电容去离子法也能去除其中的有害离子。

  此外，对于处理工业废水中的金属离子、和处理地下水中的有害离子，电容去离子法也具备一定的潜力。

  然而，在家庭、岛屿、海上平台等场景下，由于现有电极材料的体积吸附容量过低，导致电容去离子法的应用受到了限制。

  对于石墨烯、MXenes（一类二维无机化合物）、过渡金属硫族化合物等二维纳米片来说，当对它们进行有序堆叠之后，能形成一种纳米层状膜，从而能用来海水淡化。

  相比石墨烯膜和 MXenes 膜，过渡金属硫族化合物膜拥有更好的抗溶胀性能，因此是电容去离子电极材料的理想候选者之一。

  但是，由于二硫化钼存在多种晶相，这导致不同的结构组成，会影响离子的吸附性能。

  围绕如何提升电容去离子法的体积脱盐能力，从而拓宽其应用场景，并探索不同晶相对于电容去离子性能的影响和背后机理，该团队开展了本次研究。

  事实上，曾志远在该领域的深耕要从十几年前说起。2011 年，他当时是新加坡南洋理工大学的一名博士生。

  彼时，石墨烯是学术界一枚“香饽饽”。但是，由于自己当时缺乏经验，他一直在为寻找课题而苦恼。

  后来，导师建议他结合自己之前的研究经历，开展一个制备其他二维材料的课题。

  锂离子电池，是他在更早之前的研究方向。锂离子的嵌入和脱嵌，是锂离子电池的工作原理。那么，锂离子的嵌入是否有利于二维材料的制备？

  以二硫化钼为例，由于它的层间插有离子，理论上应该更容易实现层状硫化钼的剥离。

  抱着试试看的心里，他把二硫化钼涂在铜集流体上，进行一定容量的放电之后，将其放到水里进行超声振荡。

  果不其然，效果很不错、并且还有气泡产生。更重要的是，电极上的粉末一下子就能发生超声溶解，这说明分散的效果很好。

  后来，他和当时的同事首次采用锂离子电池的方法，打造了电化学插层锂离子，并将其用于过渡金属硫族层状化合物的剥离。

  通过此，一系列新型二维硫族化物纳米片得以诞生，这中间还包括单层二硫化钼、二硫化钨、二硫化钛、二硫化钽、二硫化锆和石墨烯等。

  同时，一系列新型二维材料也得以面世，这中间还包括多层氮化硼、二硒化铌、二硒化钨、三硒化二锑和碲化铋等 [2]。

  此后十年间，他先后辗转到美国劳伦斯伯克利国家实验室从事博士后研究，并在美国应用材料公司（硅谷）做了两年的工程师。

  2019 年，他重返学界、并全职回国加入香港城市大学。2022 年，他和团队针对上述方法的实验步骤和需要注意的几点，进行了详细的归纳 [3]。

  借此发现：使用上述方法制备的二维纳米片，可以均匀地分散在水溶液之中，并且不需要添加任何表面活性剂，亦可被用于墨汁打印技术之中。

  正是上述工作所产生的影响力和关注度，让他坚定了继续探索插层和剥离工作的决心。

  近年来，环境污染的问题愈发严重，于是他开始探索：所制备的这一系列二维材料，能否为环境污染的治理提供新的解决方案？

  如前所述，电容去离子法——是一种既节能、碳足迹又比较低的方法，能用于去除低盐度咸水中的有害离子。

  而二维材料拥有极大的比表面积，因此很适合用于电容去离子。也就是说，对于电容去离子来说，它是二维材料的一个极佳的应用出口。

  在这个寻找的过程中，曾志远发现 open minded 很重要，大量动手做实验也非常重要。

  因为一个新方法的建立，一定要通过大量实验和各种表征手段的重复检测才能摸索出来。

  未来，他希望电容去离子系统的处理量能达到 150 L/d，并希望处理溶液最大浓度能达到 5000 ppm。

  因此，他和团队将继续改进二维过渡金属硫化物材料，力争造出流动电极、或膜电极的电容去离子装置。

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