电容去离子技术（CDI）凭借低能耗、低成本和环境友好等优点被认为是最具前景的海水淡化技术。传统电容脱盐技术应用最广泛的电极材料是多孔碳。碳材料由于低的电荷存储容量和共离子效应，极大地限制了电极的脱盐容量，并且多孔碳的微孔结构无法提供有效的离子传输路径，也限制了CDI器件的脱盐速率。因此，开发具有高电容量和合适介孔结构的新型电极材料显得尤为重要。过渡金属碳化物(MXene)具有高导电率和体积电容而有利于NaCl的吸附，已经成为一种新型的CDI电极材料。然而，二维MXene纳米片极易堆叠，使其在应用过程中比表面积降低，活性位点减少；其次，MXene纳米片在水中不稳定，容易被氧化失活。因此，MXene纳米片应用于CDI电极材料，仍存在脱盐性能低、循环稳定性差等问题。

图1. 介孔MXene/聚多巴胺二维异质结用于CDI电极材料。（A）界面自组装发构筑mPDA/MXene的合成示意图。（B）mPDA/MXene用于CDI电极材料展现抗氧化、快传质和Na+选择性等优点。

基于此，上海交通大学麦亦勇教授团队和澳大利亚昆士兰大学Yusuke Yamauchi教授团队合作，设计了一种自下而上法制备的介孔聚多巴胺/MXene（Ti₃C₂T_x）二维异质结（mPDA/MXene），用于电容脱盐的储Na⁺材料（见图1A）。通过嵌段聚合物P123柱状胶束为介孔模板，采用界面自组装的方法能够合成MXene纳米片表面包覆介孔多巴胺层的三明治结构。该异质结呈二维形貌，厚度约为24 nm，表面均匀覆盖直径为8 nm的条形孔结构（见图2）。该二维异质结构具有以下特点：（1）MXene纳米片具有可逆离子嵌入/脱嵌能力和高导电性；（2）聚多巴胺层不仅为材料带来Na+的选择吸附特性，还可作为保护层防止MXene纳米片堆叠和氧化失活；（3）表面的介孔通道能够提供传输路径，使离子能够在二维材料的内部空间中顺利传输（图1B）。

图2. mPDA/MXene的形貌表征。（A，B）SEM图像；（C）TEM图像；（D）HAAD-STEM图像；（E）元素能谱图；（F）AFM高度图像。

图3. mPDA/MXene电极材料的CDI性能图。（A）Na⁺吸附量随时间的变化图；（B）mPDA/MXene、PDA/MXene和MXene的脱盐拉贡曲线图；（C）有离子交换膜和无离子交换膜的CDI器件配置中，mPDA/MXene脱盐电极的NaCl浓度对Na⁺吸附量的依赖关系；（D）mPDA/MXene和MXene的脱盐循环图，插图为200圈循环后mPDA/MXene的TEM图；（E）mPDA/MXene材料内部的脱盐过程。

他们将所制备的mPDA/MXene材料作为CDI的储Na⁺电极，活性炭作为CDI的储Cl^-电极，构筑不对称CDI器件。实验表明，mPDA/MXene电极显示出优异的Na+吸附性能（IAC），在1000 ppm的NaCl溶液中高达37.72 mg g^-1，器件的脱盐性能（SAC）达到47.92 mg g^-1，显著高于无孔结构的PDA/MXene和纯MXene纳米片，并且该性能高于所有已报道的二维材料（见图3）。除此之外，mPDA/MXene还具有很好的脱盐稳定性，循环200次后仍能保持脱盐性能和结构的稳定性，而MXene仅在20次循环后脱盐性能就急剧下降。

该研究为合理设计和制备MXene/聚合物的异质结构和高性能CDI电极材料提供新思路。该研究工作得到了变革性分子前沿科学中心培育基金的资助，近期以“Two-Dimensional MXene-Polymer Heterostructure with Ordered In-Plane Mesochannels for High-Performance Capacitive Deionization”为题发表在Angewandte Chemie International Edition上。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202111823