Assembly of multidimensional MXene-carbon nanotube ultrathin membranes with an enhanced anti-swelling property for water purification

材料科学 碳纳米管 化学工程 纳米技术 范德瓦尔斯力 热稳定性 层状结构 纳米管 堆积 氢键 肿胀 的 分子 复合材料 化学 有机化学 生物化学 工程类
作者
Yuqing Sun,Dean Xu,Shilong Li,Lele Cui,Yongxiang Zhuang,Weihong Xing,Wenheng Jing
出处
期刊:Journal of Membrane Science [Elsevier BV]
卷期号:623: 119075-119075 被引量:113
标识
DOI:10.1016/j.memsci.2021.119075
摘要

Severe stacking and swelling properties are critical issues in two-dimensional (2D) lamellar membrane fabrication and separation processes that can result in low flux and poor rejection. Herein, we propose the assembly of multidimensional MXene-carbon nanotube (CNT) ultrathin membranes by loading a MXene intercalated with CNTs onto a tubular ceramic membrane. Benefiting from the modes of van der Waals interactions (hydrogen bond) and repulsion forces between the MXene and functionalized CNTs, the one-dimensional (1D) CNTs are well dispersed and intercalated into the 2D MXene nanosheets, forming a uniform network and continuous three-dimensional (3D) labyrinthine short mass transfer channels, which can considerably improve the permeability and rejection performance of the membranes. Furthermore, the membranes exhibit a distinct suppressed swelling property via a facile thermal crosslinking process (-OH + -OH = -O- + H2O and -COOH + -OH = -COO + H2O), accompanied by the formation of new chemical bonds (Ti-O-C and Ti-COO-C) due to dehydroxylation between the neighboring MXene nanosheets and CNTs. Additionally, 50 h long-term operation studies also indicate the promising anti-swelling property and stability of the MXene-CNT membranes. This multidimensional (1D and 2D) assembly and thermal crosslinking strategy represents a new avenue for the facile and scalable development of MXene-based and other 2D material-derived high-performance membranes for water purification.
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