DOI: 10.1039/d2sc06946f

结垢、腐蚀和生物污染给工业领域的循环冷却水系统带来了巨大的经济影响和潜在的安全隐患。通过合理设计和构建电极，电容去离子（CDI）技术有望同时解决这三个问题。在此，本文报道了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。一维（1D）碳纳米纤维桥接二维（2D）Ti3C2Tx纳米片形成三维（3D）互连导电网络结构，加速了电子和离子的传输和扩散动力学。同时，碳纳米纤维开孔框架锚定了Ti3C2Tx，减轻了Ti3C2Tx纳米片的自堆叠，并扩大了层间空间，从而提供了更多的离子存储位点。电双层-伪电容耦合机制使制备的Ti3C2Tx/CNF-14膜具有高脱盐能力（在60mA/g下为73.42±4.57mg/g）、快速的脱盐速率（在100mA/g时为3.57±0.15mg/g/min）和较长的循环寿命，优于其他碳和MXene基电极材料。更重要的是，由于Ti3C2Tx纳米片的理想亲水性、良好分散性和充分暴露的锋利边缘，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%。本研究通过精心设计的电极材料的固有特性来同时达到杀灭微生物的目的，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思路。

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图像和相应的元素映射。

图2.（a）从具有不同Ti3C2Tx浓度的初纺纳米纤维膜切割的直径为25mm的圆盘的光学图像。PAN纳米纤维膜（b）、Ti3C2Tx/PAN-1（c）、Ti2C2Tx/PAN-3（d）、Ti3C2Tx/PAN-5（e）、Ti3C2Tx/PAN-10（f）和Ti3C2Tx/PAN-14（e）的SEM图像。水接触角的光学图像（h）和Ti3C2Tx/CNF-14的柔性演示（i）；（j）不同Ti3C2Tx浓度的初纺纳米纤维膜的TGA曲线。

图3.样品的XRD图谱（a）、FTIR数据（b）和拉曼光谱（c）。（d）Ti3C2Tx/CNF-14、Ti3C2Tx/PAN-14和PAN的XPS表面全扫描光谱。Ti3C2Tx/CNF-14中C1s（e）、O1s（f）、N1s（g）、F1s（h）和Ti2p（i）的高分辨率XPS光谱。

图4.（a）Ti3C2Tx/CNF-14在不同扫描速率下的CV曲线。（b）CNF和Ti3C2Tx/CNF-14在50mV/s下的CV曲线。（c）Ti3C2Tx/CNF-14在不同电流密度下的GCD分布。（d）CNF和Ti3C2Tx/CNF-14在1000mA/g下的GCD分布。（e）CNF和Ti3C2Tx/CNF-14的奈奎斯特图。（f）Ti3C2Tx/CNF-14在2A/g下的长期GCD试验。

图5.（a）用薄膜样品处理4h后，在NA板上培养的大肠杆菌的照片（0%、1%、3%、5%、10%和14%分别指样品CNF、Ti3C2Tx/CNF-1、Ti3C2Tx/CNF-3、Ti3C3Tx/CNF-5、Ti3C4Tx/CNF-10和Ti3C2Tx/CNF-14）。（b）所有薄膜样品对大肠杆菌的灭活效果。使用含大肠杆菌悬浮液的生理盐水（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）Ti3C2Tx/CNF-14在100mA/g下循环50次的循环和再生性能。（e）CNF和Ti3C2Tx/CNF-14在不同电流密度下的脱盐能力。（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（上）和循环冷却水（下）的TDS去除能力。插图显示了电导率的变化。（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光谱。