纳米粒子由于其体积小和表面积大，对人类健康构成严重问题。尽管材料科学在开发空气修复技术方面取得了持续进展，但有效的纳米粒子过滤仍然具有挑战性。本研究展示了MXene涂层聚酯织物在高效过滤纳米粒子方面的巨大潜力，在15-30纳米范围内实现了约90%的高效率。使用碱土金属离子辅助织物涂层显著提高了过滤性能，约提高25%，并通过电子显微镜和X射线计算机断层扫描（CT）彻底评估了结构-性能关系。这些技术证实了金属离子在获得完全涂层和浸渍织物中的关键作用，这增加了曲折度和结构特征，从而提高了最终过滤效率。我们的工作为使用MXene织物进行纳米粒子过滤提供了新颖的视角，并为实际应用中生产高性能空气过滤器提供了可行的替代方案。
自2011年发现以来，MXenes——最大的二维（2D）材料家族——已在许多应用中进行了探索，包括电子、电磁干扰屏蔽、能量存储、催化、传感和生物医学。MXenes具有M_n+1X_nT_x的通用公式，其中M代表早期过渡金属，X是碳和/或氮，T_x描述表面终止（主要是-O、-OH、-F和-Cl），n的范围从1到4。这些2D材料通过湿化学蚀刻和分层协议从其块状MAX相前体合成。MXenes具有独特且多功能的特性，如金属电导率、可调电化学和等离子体特性、活性氧化还原表面和高亲水性。此外，MXenes的合成不仅限于小规模合成，还可以扩展到利用已建立技术（如HF和HCl）的大型工业应用，如石油和半导体制造业。
图1. (a) Ti₃C₂涂层和(b) Ti₃C₂/Mg(II)涂层织物空气过滤器的制备示意图
图2.扫描电子显微镜图像：(a) 未涂层织物，(b) Ti3C2涂层织物，(c) Ti3C2/Mg(II)涂层织物。(d) 在Ti3C2/Mg(II)涂层织物上收集的元素映射。
图3.(a,b) Ti3C2涂层纺织品的典型二维截面Micro-CT图像（MXene：灰色；纺织品：纤维线）。(c,d) Ti3C2/Mg(II)涂层纺织品的典型二维截面Micro-CT图像（MXene/Mg(II)：灰色；纺织品：纤维线）。(e,f) 单位空间中Ti3C2涂层纺织品的三维Micro-CT图像（灰色）。(g,h) 单位空间中Ti3C2/Mg(II)涂层纺织品的三维Micro-CT图像（绿色）。
图4.(a) 过滤测试装置的示意图，样品被夹在真空室内的两个红色夹具之间（底部）。然后，将其充满从气溶胶入口（左侧）进入的NaCl颗粒气溶胶，并通过颗粒分析仪（FMPS，右侧）收集数据。(b) 未涂层纺织品以及Ti3C2和Ti3C2/Mg(II)涂层纺织品在5.6 nm至560 nm颗粒范围内的NaCl气溶胶过滤效率（η）。
我们测试了MXene涂层聚酯织物的空气过滤效率，并展示了通过金属离子辅助涂层制备的样品具有优异的性能。这种增强的效率归因于织物纤维内更高且更好的MXene薄片负载，这通过SEM和Micro-CT进行的形态和结构分析得到了证实。我们在15-30nm范围内的纳米粒子中达到了接近90%的效率，使用了一种简单、快速且环保的样品制备协议实现了最先进的性能。虽然这些结果对于将MXene涂层织物用于实际空气过滤应用是令人鼓舞的，但值得一提的是，我们的空气过滤器仍然可以在未来的研究中通过优化MXene结构、金属离子的性质和浓度以及合适的涂层基材选择来进一步改进。
https://doi.org/10.3390/c11010013
创新点总结
1. 材料创新：首次将MXene应用于纳米粒子空气过滤
本研究首次系统性地将MXene（Ti₃C₂）二维材料应用于空气过滤领域，特别是针对15-560纳米范围的纳米粒子过滤。MXene作为一种新型二维材料，具有独特的层状结构、高比表面积和丰富的表面官能团，这些特性使其成为高效过滤材料的理想选择。文献指出，虽然MXene已在多个领域得到应用，但在空气过滤方面的研究仅占MXene文献的约0.2%，因此这一应用方向具有显著的新颖性1。
2. 工艺创新：金属离子辅助涂层技术
研究团队开发了一种创新的金属离子辅助涂层方法，具体特点包括：
使用Mg²⁺离子（来自MgCl₂溶液）改善MXene在聚酯纤维上的负载和分布
通过静电相互作用增强MXene-MXene和MXene-纤维间的结合力
实现了更密集、更均匀的涂层结构，孔隙率从70%降至65%
显著提高了涂层的质量和纤维周围MXene薄片的聚集程度
3. 性能突破：在关键粒径范围实现高效率
该研究在纳米粒子过滤性能上取得了重要突破：
· 在15-30纳米的关键粒径范围内实现了约90%的过滤效率
· 相比未涂层聚酯织物，过滤效率提高了约25%
· 通过结构优化增加了过滤介质的几何曲折度，创造了更复杂的颗粒捕获路径
· MXene的带电极性表面可能增强了纳米粒子的捕获能力12
4. 潜在功能创新：自清洁机制设计
文献提出了该过滤系统可能具备的自清洁功能：
· 利用MXene固有的金属导电性和热性能
· 通过焦耳加热效应实现自清洁
· 这一设计可延长过滤器的使用寿命，减少维护需求
· 为未来智能过滤器的开发提供了新思路1
5. 方法学创新：多尺度表征技术应用
研究采用了先进的多尺度表征方法来评估过滤器的性能：
· 结合SEM/EDS进行表面形貌和元素分布分析
· 使用微计算机断层扫描(Micro-CT)进行三维结构重建和定量分析
· 通过孔隙率和MXene负载量的精确测量建立结构-性能关系
· 采用快速迁移率粒子计数器(FMPS)进行精确的过滤效率评估12
6. 环保与可扩展性创新
该研究在方法上注重环保和工业化潜力：
· 采用简单、快速且环保的样品制备工艺
· 使用低成本聚酯织物作为基底材料
· 涂层工艺可扩展，与现有工业技术兼容
· 为大规模生产高性能空气过滤器提供了可行方案
转自《石墨烯研究》公众号
