《CEJ》华工重王小英：可用于自清洁、光驱动和抗菌的超疏水纳米纤维素MXene层状复合膜

  虽然Ti3C2Tx MXene由于其优异的性能已被大范围的应用于各种领域，但长期以来一直面临亲水性、氧化敏感性和力学性能较差等挑战。近日，华南理工大学制浆造纸工程国家重点实验室王小英教授课题组采用层层自组装的方法制备了具有三明治结构的超疏水复合薄膜，复合膜的超疏水性和光热转化能力的结合，成功地实现了可控的光驱动运动，提高了抗菌性能。由此产生的多功能薄膜不仅扩展了超疏水表面的应用，而且为光敏机器人、独立的柔性电子固体和改进的抗菌材料的潜在应用提供了新策略。

  使用全氟癸基三乙氧基硅烷(PFOTS)作为改性试剂，通过它们的全氟烷基基团的接枝反应引入疏水性，成功制备了表面改性的MXene纳米片(MXene-F)。研究表明，在MXene纳米片表面接枝PFOTS是一种通过形成超疏水保护层来降低MXene氧化倾向的有效方法，MXene-F溶液的颜色在150天后仍然是黑色，就没有变化，表明MXene-F在潮湿环境中具有很好的稳定性。纯MXene的TEM图像显示出许多纺锤形纳米尺寸的TiO2颗粒，而MXene-F仍然显示与新鲜制备的相同清晰和干净的纳米片结构，表明所制备的超疏水MXene-F材料具备较高的环境稳定性。

  图3a显示了超疏水性FMX-T复合薄膜的制备过程。通过多次过滤，形成了超疏水性MXene和TOCNF的交替三明治结构，所得到的独立薄膜表明，它能够最终靠一个简单的、具有可控横向和厚度尺寸的环境友好制作的过程来制备。使用SEM和微CT图像研究了所得薄膜的微观形貌(图3)。与TOCNF膜(图2b-c)相比，MX-T膜(图3f-g)的表面显得更粗糙，其中FMX5-T膜(图3j-k)是最粗糙的。此外，与TOCNF薄膜相比(图3d)，MX-T和FMX5-T薄膜的横截面显示出三明治样结构(图3h和1)。

  MXene-F薄膜的力学性能与MX-T薄膜相似。然而，随着MXene-F含量的变化，复合薄膜的力学性能呈下降趋势，这可能是由于过量的MXene-F导致复合膜层间相互作用减弱所致。然而，FMX5-T薄膜(直径10毫米，厚度约38微米)可以轻松承受1000克的重量而不会断裂和拉伸性能损失(图4d)，表明其优异的机械强度。此外，FMX5-T薄膜能很容易地对折并折叠成复杂的形状(飞机)，而不会造成明显的损伤(图4g)，表明其优异的灵活性。

  图5b显示了复合膜的水接触角(WCA)。TOCNF和MX-T薄膜的WCA值分别为62.1 °和68.1 °，浸泡在染色水中时WCA值分别为62.1 °和68.1 °。经MXene-F包覆后，FMX-T薄膜的WCA明显高于TOCNF和MX-T薄膜。FMX2.5-T复合膜表现出准超疏水性(145.8 °) ，而FMX5-T复合膜表现出最佳的超疏水性(153.0 °) ，且随MXene-F含量的增加而保持不变。此外，由于在FMX5-T膜的水和超疏水表面之间有空气层，当浸泡在染色水中时，FMX5-T膜的表面出现具有银白色光泽的明亮镜状物(图5c)，表明复合膜未被水浸润，具有非常明显的阻水性能(图5a)。

  在相同条件下培养的细菌，MX-T和FMX5-T薄膜在近红外辐照后表现出几乎完全的细菌灭活。统计学上，金黄色葡萄球菌和大肠杆菌在MX-T和FMX5-T薄膜上的细菌存活率在NIR照射8分钟后均为0.00%。且如图6e-f和g所示，即使在10个抗菌周期之后，金黄色葡萄球菌和大肠杆菌在FMX5-T膜上的细菌存活率仍然是0.00%，表明FMX5-T膜的抗菌活性没有随着循环过程而降低。

  通过土壤埋藏实验研究了复合膜的降解性(图7i)。与聚乙烯膜相比，复合膜在土壤中均有降解，且降解程度随埋藏天数的增加而增加。其中，TOCNF和MX-T薄膜比FMX5-T复合薄膜更容易降解。埋藏60天后，TOCNF和MX-T薄膜的碎片就没有被发现，表明它们已经完全降解。100天后，FMX5-T复合膜完全降解，表明复合膜在土壤中可完全降解。FMX5-T复合薄膜的抗菌性能和可降解性能的增强有助于扩大其在超疏水表面、智能自驱动器和长效抗菌材料中的潜在应用。

  本文报道了通过接枝PFOTS合成超疏水MXene衍生物，并将其用于制备TOCNF基三明治状结构的功能复合膜(FMX5-T)。改性后的MXene使FMX5-T材料具备超疏水性和优异的稳定性。由于TOCNF柔性衬底的存在和强大的界面相互作用，FMX5-T复合薄膜具备优秀能力的机械强度和柔韧性。此外，FMX5-T复合膜具备优秀能力的自清洁性能和化学稳定性，以及优异的近红外光耐热性和转换能力。更重要的是，当超疏水性和光热转换能力相结合时，FMX5-T复合膜不仅仅具备可控的光驱动运动，如线性和旋转运动，而且具有增强的持久抗菌效果。这些性能显示了多功能FMX5-T复合膜在超疏水表面工程、智能自驱动执行器、改进抗菌材料等方面的广泛应用潜力。

  相关成果以“Multifunctional sandwich-like composite film based on superhydrophobic MXene for self-cleaning, photodynamic and antimicrobial applications”为题发表在《Chemical Engineering Journal》上。华南理工大学博士生唐淑伟为第一作者，吴正国博士为共同一作，王小英教授为通讯作者。该工作得到

  、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费、广东省基础与应用基础研究基金、广州市科技计划项目资助。