Recent advance in MXenes: antibacterial Activity and waste treatment
Subject Areas : Chemical Engineering (Environmental Pollution)Keywords: MXene, 2D nanosheets, Antibacterial Activity, waste treatment,
Abstract :
Recently, two-dimensional (2D) lamellar membranes have attracted worldwide attention of researchers because of mechanical robustness, tunable pore size, high performance, and their easy processing. MXenes 2D materials, also known as carbide/nitride functionalized metal nanoparticles, have applications in a variety of applications such as capacitors and ion batteries for energy storage, catalysts, wastewater treatment membranes and heavy metal ions separation. In the last decade, extensive studies have been conducted to improve the applicability of heavy metal adsorbent membranes with the aid of MXenes and its complexes. Given the challenges that environmental pollutants pose to nature and organisms, it is important to find ways of absorbing and removing pollutants. In this article, after introducing MXenes and its various structures, recent studies on wastewater treatment and nuclear waste treatment with MXenes and its compounds are summarized along with its antibacterial properties
[1] Fu, L., Yan, Z., Zhao, Q., & Yang, H. (2018). Novel 2D nanosheets with potential applications in heavy metal purification: A review. Advanced Materials Interfaces, 5(23), 1801094.
[2] Jun, B. M., Kim, S., Heo, J., Park, C. M., Her, N., Jang, M., ... & Yoon, Y. (2019). Review of MXenes as new nanomaterials for energy storage/delivery and selected environmental applications. Nano Research, 12(3), 471-487.
[3] Ghidiu, M., Naguib, M., Shi, C., Mashtalir, O., Pan, L. M., Zhang, B., ... & Barsoum, M. W. (2014). Synthesis and characterization of two-dimensional Nb 4 C 3 (MXene). Chemical communications, 50(67), 9517-9520.
[4] Ghidiu, M., Naguib, M., & Barsoum, M. W. (2019). Chemical and Electrochemical Intercalation of Ions and Molecules into MXenes. In 2D Metal Carbides and Nitrides (MXenes) (pp. 161-175). Springer, Cham.
[5] Anasori, B., & Gogotsi, Û. G. (2019). 2D metal carbides and nitrides (MXenes) (p. 1). Berlin: Springer.
[6] VahidMohammadi, A., Kayali, E., Orangi, J., & Beidaghi, M. (2019). Techniques for MXene Delamination into Single-Layer Flakes. In 2D Metal Carbides and Nitrides (MXenes) (pp. 177-195). Springer, Cham.
[7] Mayerberger, E. A., Street, R. M., McDaniel, R. M., Barsoum, M. W., & Schauer, C. L. (2018). Antibacterial properties of electrospun Ti 3 C 2 T z (MXene)/chitosan nanofibers. RSC advances, 8(62), 35386-35394.
[8] Verger, L., Xu, C., Natu, V., Cheng, H. M., Ren, W., & Barsoum, M. W. (2019). Overview of the synthesis of MXenes and other ultrathin 2D transition metal carbides and nitrides. Current Opinion in Solid State and Materials Science, 23(3), 149-163.
[9] Rasool, K., Pandey, R. P., Rasheed, P. A., Berdiyorov, G. R., & Mahmoud, K. A. (2019). MXenes for Environmental and Water Treatment Applications. In 2D Metal Carbides and Nitrides (MXenes) (pp. 417-444). Springer, Cham.
[10] Wei, Z., Peigen, Z., Wubian, T., Xia, Q., Yamei, Z., & ZhengMing, S. (2018). Alkali treated Ti3C2Tx MXenes and their dye adsorption performance. Materials Chemistry and Physics, 206, 270-276.
[11] Jun, B. M., Her, N., Park, C. M., & Yoon, Y. (2020). Effective removal of Pb (ii) from synthetic wastewater using Ti 3 C 2 T x MXene. Environmental Science: Water Research & Technology, 6(1), 173-180.
[12] Pandey, R. P., Rasool, K., Abdul Rasheed, P., & Mahmoud, K. A. (2018). Reductive sequestration of toxic bromate from drinking water using lamellar two-dimensional Ti3C2TX (MXene). ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 6(6), 7910-7917.
[13] Boota, M., Anasori, B., Voigt, C., Zhao, M. Q., Barsoum, M. W., & Gogotsi, Y. (2016). Pseudocapacitive electrodes produced by oxidant‐free polymerization of pyrrole between the layers of 2D titanium carbide (MXene). Advanced Materials, 28(7), 1517-1522.
[14] Ling, Z., Ren, C. E., Zhao, M. Q., Yang, J., Giammarco, J. M., Qiu, J., ... & Gogotsi, Y. (2014). Flexible and conductive MXene films and nanocomposites with high capacitance. Proceedings of the National Academy of Sciences, 111(47), 16676-16681.
[15] Boota, M. (2019). MXene–Organic Hybrid Materials. In 2D Metal Carbides and Nitrides (MXenes) (pp. 221-251). Springer, Cham.
[16] Huang, X., Wang, R., Jiao, T., Zou, G., Zhan, F., Yin, J., ... & Peng, Q. (2019). Facile preparation of hierarchical AgNP-loaded MXene/Fe3O4/polymer nanocomposites by electrospinning with enhanced catalytic performance for wastewater treatment. ACS omega, 4(1), 1897-1906.
[17] Watanabe, S., Ogi, H., Arai, Y., Aihara, H., Takahatake, Y., Shibata, A., ... & Kubota, T. (2019). STRAD project for systematic treatments of radioactive liquid wastes generated in nuclear facilities. Progress in Nuclear Energy, 117, 103090.
[18] Zhang, Y. J., Zhou, Z. J., Lan, J. H., Ge, C. C., Chai, Z. F., Zhang, P., & Shi, W. Q. (2017). Theoretical insights into the uranyl adsorption behavior on vanadium carbide MXene. Applied Surface Science, 426, 572-578.
[19] Wang, L., Tao, W., Yuan, L., Liu, Z., Huang, Q., Chai, Z., ... & Shi, W. (2017). Rational control of the interlayer space inside two-dimensional titanium carbides for highly efficient uranium removal and imprisonment. Chemical Communications, 53(89), 12084-12087.
[20] Wang, L., Yuan, L., Chen, K., Zhang, Y., Deng, Q., Du, S., ... & Barsoum, M. W. (2016). Loading actinides in multilayered structures for nuclear waste treatment: the first case study of uranium capture with vanadium carbide MXene. ACS Applied Materials & Interfaces, 8(25), 16396-16403.
[21] Rasool, K., Helal, M., Ali, A., Ren, C. E., Gogotsi, Y., & Mahmoud, K. A. (2016). Antibacterial activity of Ti3C2T x MXene. ACS nano, 10(3), 3674-3684.
[22] Arabi Shamsabadi, A., Sharifian Gh, M., Anasori, B., & Soroush, M. (2018). Antimicrobial Mode-of-Action of Colloidal Ti3C2T x MXene Nanosheets. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 6(12), 16586-16596.
[23] Alimohammadi, F., Sharifian Gh, M., Attanayake, N. H., Thenuwara, A. C., Gogotsi, Y., Anasori, B., & Strongin, D. R. (2018). Antimicrobial properties of 2D MnO2 and MoS2 nanomaterials vertically aligned on graphene materials and Ti3C2 MXene. Langmuir, 34(24), 7192-7200.
[24] Huang, K., Li, Z., Lin, J., Han, G., & Huang, P. (2018). Two-dimensional transition metal carbides and nitrides (MXenes) for biomedical applications. Chemical Society Reviews, 47(14), 5109-5124.
[25] Lau, W. J., & Ismail, A. F. (2009). Polymeric nanofiltration membranes for textile dye wastewater treatment: preparation, performance evaluation, transport modelling, and fouling control—a review. Desalination, 245(1-3), 321-348.
[26] Khemakhem, S., Amar, R. B., Hassen, R. B., Larbot, A., Medhioub, M., Salah, A. B., & Cot, L. (2004). New ceramic membranes for tangential waste-water filtration. Desalination, 167, 19-22.
[27] Ivnitsky, H., Katz, I., Minz, D., Shimoni, E., Chen, Y., Tarchitzky, J., ... & Dosoretz, C. G. (2005). Characterization of membrane biofouling in nanofiltration processes of wastewater treatment. Desalination, 185(1), 255-268.
[28] Visvanathan, C., Aim, R. B., & Parameshwaran, K. (2000). Membrane separation bioreactors for wastewater treatment. Critical reviews in environmental science and technology, 30(1), 1-48.
[29] Wu, Y., Ding, L., Lu, Z., Deng, J., & Wei, Y. (2019). Two-dimensional MXene membrane for ethanol dehydration. Journal of Membrane Science, 590, 117300.
[30] Xu, Z., Liu, G., Ye, H., Jin, W., & Cui, Z. (2018). Two-dimensional MXene incorporated chitosan mixed-matrix membranes for efficient solvent dehydration. Journal of membrane science, 563, 625-632.
[31] Han, R., Ma, X., Xie, Y., Teng, D., & Zhang, S. (2017). Preparation of a new 2D MXene/PES composite membrane with excellent hydrophilicity and high flux. Rsc Advances, 7(89), 56204-56210.
[32] Liu, G., Shen, J., Ji, Y., Liu, Q., Liu, G., Yang, J., & Jin, W. (2019). Two-dimensional Ti 2 CT x MXene membranes with integrated and ordered nanochannels for efficient solvent dehydration. Journal of Materials Chemistry A, 7(19), 12095-12104.
[33] Liu, G., Shen, J., Liu, Q., Liu, G., Xiong, J., Yang, J., & Jin, W. (2018). Ultrathin two-dimensional MXene membrane for pervaporation desalination. Journal of membrane science, 548, 548-558.
[34] اخلاقی. (2019). سنتز خودپیشرونده دما بالای کاربید تیتانیم آلومینیم به کمک فعالسازی مکانیکی. مهندسی متالورژی, 22(1), 65-74.
[35] Carotta, M. C., Ferroni, M., Guidi, V., & Martinelli, G. (1999). Preparation and characterization of nanostructured titania thick films. Advanced Materials, 11(11), 943-946.
[36] Mashtalir, O., Cook, K. M., Mochalin, V. N., Crowe, M., Barsoum, M. W., & Gogotsi, Y. (2014). Dye adsorption and decomposition on two-dimensional titanium carbide in aqueous media. Journal of Materials Chemistry A, 2(35), 14334-14338.
[37] Yin, J., Zhan, F., Jiao, T., Deng, H., Zou, G., Bai, Z., ... & Peng, Q. (2020). Highly efficient catalytic performances of nitro compounds via hierarchical PdNPs-loaded MXene/polymer nanocomposites synthesized through electrospinning strategy for wastewater treatment. Chinese Chemical Letters, 31(4), 992-995.
[38] Guo, X., Zhang, X., Zhao, S., Huang, Q., & Xue, J. (2016). High adsorption capacity of heavy metals on two-dimensional MXenes: an ab initio study with molecular dynamics simulation. Physical Chemistry Chemical Physics, 18(1), 228-233.
[39] Yang, L., Zheng, W., Zhang, P., Chen, J., Zhang, W., Tian, W. B., & Sun, Z. M. (2019). Freestanding nitrogen-doped d-Ti3C2/reduced graphene oxide hybrid films for high performance supercapacitors. Electrochimica Acta, 300, 349-356.
[40] Rasool, K., Mahmoud, K. A., Johnson, D. J., Helal, M., Berdiyorov, G. R., & Gogotsi, Y. (2017). Efficient antibacterial membrane based on two-dimensional Ti 3 C 2 T x (MXene) nanosheets. Scientific reports, 7(1), 1-11.
[41] Li, K., Zou, G., Jiao, T., Xing, R., Zhang, L., Zhou, J., ... & Peng, Q. (2018). Self-assembled MXene-based nanocomposites via layer-by-layer strategy for elevated adsorption capacities. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 553, 105-113.
[42] Chen, K., Chen, Y., Deng, Q., Jeong, S. H., Jang, T. S., Du, S., ... & Han, C. M. (2018). Strong and biocompatible poly (lactic acid) membrane enhanced by Ti3C2Tz (MXene) nanosheets for Guided bone regeneration. Materials Letters, 229, 114-117.
[43] Chen, Z., Han, Y., Li, T., Zhang, X., Wang, T., & Zhang, Z. (2018). Preparation and electrochemical performances of doped MXene/poly (3, 4-ethylenedioxythiophene) composites. Materials Letters, 220, 305-308.
[44] Tong, Y., He, M., Zhou, Y., Zhong, X., Fan, L., Huang, T., ... & Wang, Y. (2018). Hybridizing polypyrrole chains with laminated and two-dimensional Ti3C2Tx toward high-performance electromagnetic wave absorption. Applied Surface Science, 434, 283-293.
[45] Yang, H., Dai, J., Liu, X., Lin, Y., Wang, J., Wang, L., & Wang, F. (2017). Layered PVB/Ba3Co2Fe24O41/Ti3C2 Mxene composite: enhanced electromagnetic wave absorption properties with high impedance match in a wide frequency range. Materials Chemistry and Physics, 200, 179-186.
[46] Mu, W., Du, S., Li, X., Yu, Q., Wei, H., Yang, Y., & Peng, S. (2019). Removal of radioactive palladium based on novel 2D titanium carbides. Chemical Engineering Journal, 358, 283-290.
[47] Mu, W., Du, S., Li, X., Yu, Q., Wei, H., Yang, Y., & Peng, S. (2019). Removal of radioactive palladium based on novel 2D titanium carbides. Chemical Engineering Journal, 358, 283-290.
[48] Zhang, B., Fu, L., Wang, S., & Zhang, L. (2018). Adsorption of palladium (II) from aqueous solution using nanosilica modified with imidazoline groups. Materials Chemistry and Physics, 214, 533-539.
[49] Jun, B. M., Heo, J., Taheri-Qazvini, N., Park, C. M., & Yoon, Y. (2020). Adsorption of selected dyes on Ti3C2Tx MXene and Al-based metal-organic framework. Ceramics International, 46(3), 2960-2968.
[50] Shahzad, A., Rasool, K., Miran, W., Nawaz, M., Jang, J., Mahmoud, K. A., & Lee, D. S. (2017). Two-dimensional Ti3C2T x MXene nanosheets for efficient copper removal from water. ACS Sustainable Chemistry & Engineering, 5(12), 11481-11488.
پژوهش و فناوری محیط زیست،1400 6(9)، 61-73
| |||
کاربردهای نانومواد MXenes در تصفیه آب و فاضلاب |
|
سعید هاشمی1 ، فاطمه عباسی1، نسیبه حاجیلری*11 |
1- گروه مهندسی شیمی، دانشکده فنی و مهندسی، دانشگاه گلستان، گرگان، ایران |
چکیده |
با افزایش صنایع و صنعتی شدن جوامع آلودگیهای آب تشدید و نیاز به فرآیندهای تصفیه آب و فاضلاب و مواد افزایش پیدا کرده است. در این زمینهMXenes به عنوان گروهی جدید از مواد دو بعدی که بهعنوان نانوصفحات فلزی عاملدار شده کاربیدی/نیتریدی نیز شناخته میشوند به دلیل ویژگیهای منحصر به فرد و دامنه کاربردهای بالقوه صنعتی، توجه جهانی محققان را به خود جلب کردهاند. در این مطالعه ضمن بررسی روند سنتز مکسین و معرفی ساختارهای متنوع آن، مشخص شد که MXene به دلیل وجود سطح ویژهی بالا ساختارهای صفحهای، خاصیت آبدوستی بالا و احیای مناسب ترکیب مناسبی برای جداسازی نیتراتها و همینطور توقف رشد باکتریها ایجاد میکند. همچنین استفاده از آنها در حذف رنگها باعث افزایش پایداری ساختار غشایی و جلوگیری از انباشتگی ذرات میشود. علاوه بر این، mxeneها به دلیل سرعت جذب بالا و گزینشپذیری مناسب، میتوانند به خوبی در جداسازی پسماندهای هستهای به کار گرفته شوند. |
كليد واژهها: MXene، نانوصفحات دوبعدی، آنتیباکتریال، تصفیه آب و فاضلاب |
[1] *پست الکترونیکی نویسنده مسئول: n.hajilari@gu.ac.ir
Journal of Environmental Research and Technology, 6(9)2021. 61-73
|
Applications of MXenes nanomaterials in water and wastewater treatment Saeed Hashemi1, Fateme Abbasi1, Nasibeh Hajilary1*1 1- Department of chemical engineering, Engineering Faculty, Golestan University, Gorgan, Iran
|
Abstract With the increase of industries and industrialization of societies, water pollution has intensified and the need for water, wastewater and materials treatment processes has increased. In this regard, MXenes as a new group of two-dimensional materials, also known as carbide / nitride functionalized metal nanosheets, have attracted the global attention of researchers due to their unique properties and range of potential industrial applications. In this study, meanwhile examining the synthesis of MXene and introducing its various structures, it was found that MXene, due to the high specific surface area of plate structures, high hydrophilicity and proper regeneration creates a suitable combination for nitrate separation as well as inhibition of bacterial growth. Also, their use in removing dyes increases the stability of the membrane structure and prevents the agglomeration of particles. In addition, MXene can be well used in the separation of nuclear waste due to its high adsorption rate and good selectivity. |
Keywords: MXene, 2D nanosheets, Antibacterial Activity, wastewater treatment. |
|
[1] * Corresponding author E-mail address: n.hajilari@gu.ac.ir
مقدمه
امروزه مواد دوبعدی با فراهم نمودن سطح ویژه بالا، ضخامت نازک، هدایت الکتریکی فلزی/شبهفلزی، پایداری دمایی و ظرفیت تبادل یونی بالا مورد توجه بسیاری از محققان قرار گرفتهاند که در کاربردهای فراوانی قابل استفاده هستند. در شکل 1، نمایی از صفحات دوبعدی جاذب کاتیونی به همراه مکانیسم عملکرد آن که در فرآیند جذب فلزات سنگین استفاده شده است، نمایش داده شده است (Fu, Yan, Zhao, & Yang, 2018). از این میان، نانوصفحات دوبعدی MXene به دلیل ساختار لایهای و خواص فیزیک وشیمیایی و مکانیکی در زمینههای متنوعی ازجمله الکتروشیمیایی، مغناطیسی و نوری ویژه اهمیت دو چندان یافته اند (Jun et al., 2019). MXene مادهای دوبعدی از نیترید یا کاربید فلزات رسانا است که اولین بار در سال 2011 توسط Naguib سنتز شد، MXene به دلیل آبدوستی بالا، هدایت الکتریکی بالا در خازنها، باتریها، کاتالیستها و تصفیه آب کاربرد دارد (Ghidiu, Naguib, & Barsoum, 2019; Ghidiu et al., 2014; R. Li et al., 2021; L. Yang et al., 2019).
اگرچه مطالعات زیادی در زمینه مواد آنتیباکتریال و تصفیه آب و فاضلاب انجام شده است اما از آنجا که هنوز بررسی رفتار و مکانیسم عملکرد MXene در این کاربردها بهطور کامل و جامع بررسی نشده است، ارزیابی وضعیت فعلی عملکرد این مواد در جداسازی آلودگیهای آب و بخصوص باکتریها ضروری است. لذا در این مطالعه پس از معرفی MXene و ساختارهای مختلف آن، رفتار ضد باکتریایی1 آن در کاربردهای پزشکی و تصفیه آب مورد بررسی قرار گیرد.
شکل 1. ترکیبات رایج مناسب برای مواد نانو صفحات دو بعدی جاذب فلزات سنگین (Fu et al., 2018).
· سنتز و عاملدارکردن MXene
MXene با حکاکی کردن2 لایه Al موجود در ساختارهای MAX توسط اسید هیدروفلوئوریک (HF) یا اسید هیدروکلریک مخلوط با لیتیمفلوئوریک HCl) + LiF) به دست میآید که میتواند بهصورت چندلایه یا ورقه ورقه شده مورد استفاده قرار گیرد. فازهای MAX یا Mn+1AXn ساختاری کاربید سهتایی متشکل از M، A و X است که در آن M فلز رسانا، A عنصر گروه 3 یا چهار و X کربن یا نیترید و n برابر با 1،2 و 3 است. لایه A که عموماً متشکل از Al است به دلیل اتصال ضعیف در حضور حک کنندهها با F، O یا OH (ترمینالهای سطحی) جایگزین شده و MXene را با ساختار ششوجهی Mn+1XnTx به وجود میآورند که T نشاندهنده ترمینالهای سطحی است (Tong et al., 2018; VahidMohammadi, Kayali, Orangi, & Beidaghi, 2019). در شکل 2 شماتیکی از نحوه تشکیل ساختار لایهای MXene و نحوه قرارگیری لایهها قبل و بعد از عملیات حکاکی شدن توسط HCl و LiF نشان داده شده است؛ صفحات لایهای پس از عملیات اولتراسونیک بهصورت صفحات MXene بهدست میآیند (Mayerberger, Street, McDaniel, Barsoum, & Schauer, 2018).
شکل 2. شماتیکی از نحوه ایجاد صفحات دوبعدی MXene با حکاکی کردن MAX (Mayerberger et al., 2018).
روشهای دیگری نیز برای سنتز MXene پیشنهاد شده است؛ اخلاقی و همکاران در سال 2019 توانستند MXene را با ترکیب Ti3AlC2 به روش سنتز خود پیشرونده دما بالای فعال شده مکانیکی به دست آورند. در این روش ابتدا مواد اولیه شامل Al، Ti و C با نسبت 1، 3 و 2 به روش مکانیکی و در حضور آسیاب سیارهای فعال شده و پس از قرارگیری در کوره لولهای، MXene با کمک مد انفجاری تولید شده است؛ نتایج حاصل از این پژوهش نشان داد که افزایش زمان فعالسازی مکانیکی تأثیر منفی در محصول خروجی دارد و مواد ناخالص TiC و Ti2AlC را به وجود میآورد (اخلاقی, 2019).
فراوانی شیمیایی، سایتهای فعال و تنوع در ترمینالهای سطحی، خاصیت جاذبه بالقوه کاتیونی به MXeneها بخشیده است. در حال حاضر تعداد زیادی MXene شناخته وجود دارد که از این میان میتوان به Ti3C2Tx, V2CTx, Nb2CTx, Ta4C3Tx اشاره کرد که درواقع با جایگزینی فلزات رسانا V،Nb، Mo، Ta و Ti رفتار شیمیایی متفاوتی از MXene انتظار میرود (Verger et al., 2019).
· کاربردهای MXene
- تصفیه فاضلاب
یکی از عواملی که بهعنوان آلایندههای آب و فاضلابها شناخته شده است، رنگدانههای سمی هستند؛ پژوهشهای زیادی در جهت شناسایی، جذب و حذف رنگدانهها انجام گرفته است که بسیاری از آنها، توانستند تا دقت و صحت نمونهی خود را در میزان شناسایی و جذب رنگدانهها در پساب کارخانههای نساجی، تولیدکننده مواد شیمیایی و دارویی و صنایع غذایی و بستهبندی تأیید کنند. از موادی که تابهحال بهعنوان جاذب آلایندههای فاضلابها استفاده شده است میتوان به غشاهای نانوفیلتراسیون پلیمری (Lau & Ismail, 2009)، سرامیکی (Khemakhem et al., 2004) و غشاهای زیستی (Ivnitsky et al., 2005) در طیف وسیع ساختاری و کاربردی اشاره کرد. همچنین راکتورهای زیستی غشایی در تصفیه فاضلابها کاربرد گستردهای دارد که در آن از غشاهای نامبرده که سطح ویژه آن بهبود یافته، استفاده میشود (Visvanathan, Aim, & Parameshwaran, 2000).
MXene بخصوص ساختار شناختهشده آن یعنی Ti3C2Tx، به دلیل بخشهای فعال سطحی، ساختار لایهای و همچنین حضور ترمینالهای سطحی با بار منفی، جاذب خوبی برای غربالگری و حذف کاتیونهای سه/دو/تک بار فلزات سنگین آلاینده آب و شیرینسازی تبخیری هستند (G. Liu et al., 2018; L. Yang et al., 2019)؛ که از کاربردهای این ساختار جذب رنگهای خوراکی مانند متیلن بلو از آب فاضلاب است (Yin et al., 2020). بهطورکلی گروههای عاملی، ساختار صفحهای نازک و نانوکانالهای درون لایهای MXene، پتانسیل جداسازی مواد و فرآیند نمزدایی از محلول اتانول و متانول را افزایش میدهد (Wu, Ding, Lu, Deng, & Wei, 2019; Xu, Liu, Ye, Jin, & Cui, 2018). گزارشها فراوانی مبنی بر استفاده از Ti3C2Tx در تصفیه فاضلابها گزارش شده است (Rasool, Pandey, Rasheed, Berdiyorov, & Mahmoud, 2019; Wei et al., 2018)؛ jun و همکاران توانستند یون سرب موجود در آب فاضلاب را جذب و با مکانیسم تعویض یونی، آب را تصفیه نمایند (Jun, Her, Park, & Yoon, 2020). Ravi نیز در گزارش خود، توانست ماده سمی برومات را از نوشیدنی حذف کند، این فرایند توسط واکنش احیای شیمیایی برومات به برومید انجام گرفت که در طی آن صفحات Ti3C2Tx بهصورت بلور TiO2 اکسید میشود (Pandey, Rasool, Abdul Rasheed, & Mahmoud, 2018). در شکل 3 منحنی حذف کاتیون مس از فاضلاب با حضور MXene را نشان میدهد. همانطور که ملاحظه میشود پیوند کاتیون مس با بخشهای فعال ناشی از گروههای عاملی Ti3C2X منجر به کلوخه شدن و رسوب صفحات لایهلایه میشود که نشانگر تبعیت از مکانیسم سینتیکی ایزوترم فرندلیچ3 است (Shahzad et al., 2017).
نکته قابلملاحظه در استفاده از MXene در تصفیه آب، تجمع4 صفحات پس از پیوند با آلایندههای یونی و عدم بازیابی پس از یک مرحله تصفیه است؛ برای حل این مشکل، تلاشهایی بر جاسازی و تثبیت Ti3C2Tx بر روی زیرلایههای پلیمری مانند پلی پیرول (Boota et al., 2016)، PVA پلی وینیل الکل طبیعی (Ling et al., 2014)، پلی لاکتیک اسید (Tong et al., 2018)، پلیاتیلن دیوکسی تیوفن (Yang et al., 2017)، پلیوینیل بوتیرال (PVB) (Mu et al., 2019)، پلی آنیلین (B. Zhang, Fu, Wang, & Zhang, 2018) و پلیدیالید دیمتیل آمونیوم باردار (Boota, 2019) انجام شده است.
شکل 3. نمودار درصد حذف کاتیون مس در حضور MXene (Shahzad et al., 2017).
در پژوهشی که اخیراً توسط هوانگ5 و همکاران انجام شده است توانستهاند با ساخت نانوکامپوزیت پلیمری MXene/Fe3O4 به کاتالیستی با پایداری حرارتی بالا بهمنظور تصفیه فاضلاب دست پیدا کنند (X. Huang et al., 2019; Yin et al., 2020). در این ماده مشکل پایداری اتصال MXene و پلیمر و همچنین انباشتگی را بهترتیب با کمک لایهنشانی توسط روش الکترواسپینیگ و توزیع یکنواخت MXene در بستر پلیمر را با استفاده از خاصیت کاتالیستی و بازیابی مواد پس از جذب آلایندههای ترکیبات نیترو (نیتروآنیلین و نیتروفنول) از طریق جداسازی کامپوزیت مغناطیسی برطرف نمایند (X. Huang et al., 2019).
در مطالعهای مشابه از فیبر نانوپالادیوم/ پلیوینیل الکل(PVA)6 / پلی آکریلیک اسید7(PAA)/ MXeneبرای شناسایی و جداسازی نیتروآنیلین و نیتروفنول از فاضلاب استفاده کرده است که خاصیت کاتالیستی و سطح ویژه بالا این ترکیب آن را از دیگر ساختارهای مشابه متمایز کرده است (Rasool et al., 2017). از دیگر ترکیبات مشابه میتوان به ترکیب کامپوزیتی MXene و پلیاتر سولفون (PES) اشاره کرد، ساختار لایهای Ti3AlC2 نشان داده شده در شکل 4 که با روش حکاکی کردن لایه مکس بدست آمده درحضور PES بسیار آبدوست بوده و غشای بدست آمده برای کاربردهای فیلتراسیون رنگهای سمی مانند رنگ قرمز (3/92%) و رنگ بنفش (3/80%) و نمکهای معدنی در فرآیند تصفیه آب عملکرد مناسبی از خود نشان داده است (Han, Ma, Xie, Teng, & Zhang, 2017).
علاوه براین، لیا8 و همکاران مطابق شکل 5، ترکیب دوبعدی Ti2CTx را با عامل پوشان بهصورت الکترواستاتیکی به پایداری رساندهاند و ساختار مناسبی را ایجاد کرده اند؛ ترکیب بدست آمده در فرآیند جداسازی و نم زدایی کاربرد دارد (G. Liu et al., 2019).
شکل 4. تصویر SEM مواد دوبعدی لایهلایه MXene (Han et al., 2017).
شکل 5. شماتیک ساختار MXene/HPIE/TMC و مکانیسم کارکرد غشایی آن (G. Liu et al., 2019).
در شکل 6، مکانیسم سنتز کامپوزیت پلیمری پایه MXene و همچنین نحوه بازیافت کامپوزیت پس از جداسازی رنگدانههای جذبشده را نشان میدهد. کامپوزیت از طریق ترکیبات کربوکسیلاتی عاملدار شده و سپس در پلیمر PEI و PAA تثبیت میشود که باعث افزایش پایداری، استحکام و جلوگیری از انباشتگی ذرات میشود (Tong et al., 2018).
شکل 6. شماتیک مکانیسم جذب و واجذب رنگدانهها در کامپوزیت MXene (Tong et al., 2018)
رایج ترین آلایندههای غیر آلی موجود در آب که میتواند توسط نانومواد مبتنی بر MXene از بین برود، فلزات سنگین و رادیونوکلیدها هستند (Fan et al., 2018). MXene میتواند بصورت الکترواستاتیکی شارژ شود و بار سطحی MXene را به گروههای عاملی موجود در سطح نسبت داد (Naguib et al., 2012). در حین حکاکی و درهم آمیختگی، گروههای مختلف عملکردی در سطح MXene مانند -O ، -F و -OH تشکیل میشوند (Mu et al., 2018; Peng et al., 2014). آنها میتوانند از نظر الکترواستاتیکی با بارهای مخالف از ترکیبات مورد نظر در آب ارتباط برقرار کنند. همچنین، میزان شارژ MXene به pH محلول ناشی از پروتوناسیون توسط یونهای هیدروژن بستگی دارد، MXene بسته به میزان بارگذاری خود میتواند ذرات باردار دارای یون منفی یا مثبت را جذب کند (Khan et al., 2019; Mu et al., 2018).
اگرچه فعل و انفعالات الکترواستاتیک مکانیسم غالب برای حذف آلایندههای غیر آلی است، اما مکانیسمهای دیگری مانند تبادل یونی و برخی از عوامل مانند سطح ویژه، PH و درجه حرارت نیز تأثیر زیادی بر روند جذب دارند (F. Liu et al., 2016; Peng et al., 2014; Shahzad et al., 2017).
در مطالعهای برای جذب فلزات سنگین استفاده از MXene (Ti3C2 (OH / ONa) xF2-x) قلیایی استفاده شد. در این مطالعه هدف حذف سرب (II) در آب در محلول %5 NaOH است (Peng et al., 2014). تجزیه و تحلیل XRD و EDX نشان داد که یونهای Na با موفقیت مقابله میشوند. در واقع آنها فضای بین لایهها را گسترش میدهند، بنابراین سرعت انتشار منطقه را که میتواند با یونهای Pb (II) واکنش دهد افزایش میدهند. ظرفیت جذب به دست آمده تا 140 میلی گرم در گرم بود که در مقایسه با سایر جاذبهای معمولی سرب (II) زیاد در نظر گرفته میشود. همچنین،alk-MXene در 120 ثانیه به تعادل رسید، و این مسئله را میتوان به توانایی آن در واکنش فوق العاده با سرب (II) به دلیل ساختار متمایزش نسبت داد. مکانیسم اصلی مورد استفاده در این مطالعه مبادله یونی است (Giammar, Maus, & Xie, 2007).
MXene ذاتاً در محیط بسیار اسیدی دارای بار مثبت است و بالاتر از pHpzc بار منفی دارد، که میتواند منجر به جذب آلایندههای دارای بار مخالف شود که از PH تأثیر میپذیرند. به عبارت دیگر، آنیونها را میتوان با MXene با بار مثبت در PH بسیار پایین از بین برد، اما استفاده از آن دشوار است زیرا کیفیت آب با pH بسیار پایین معمول نیست.
آلایندههای آلی نیز میتوانند توسط جاذبهای پایه MXene از آب حذف شوند. آلایندههای آلی بطور معمول ترکیبات رنگ هستند. از آنجا که جاذبهای پایه MXene به طور کلی بار منفی دارند، ترکیبات رنگی با بار مثبت، مانند متیلن بلو، میتوانند بهطور موثری از آب خارج شوند. چند مکانیسم جذب وجود دارد که اغلب در چندین مطالعه در مورد جذب رنگ توسط MXene ذکر شده است، که فعل و انفعال الکترواستاتیک (Meng et al., 2018; Rozmysłowska-Wojciechowska et al., 2019) و تبادل یونی (Wei et al., 2018) مکانیسمهای غالب هستند.
واکنش جذب آلایندههای آلی، مانند حذف آلایندههای غیر آلی، بسیار تحت تأثیر پارامترهای کیفیت آب مانند pH، دما و حضور یونهای پس زمینه و مواد آلی طبیعی است. علاوه بر آلایندههای رنگی، تحقیقات بیشتری در مورد حذف آلایندههای مختلف آلی مانند اوره، لیزوزیم و اسید دئوکسی ریبونوکلئیک برای کاربردهای مختلف مورد بررسی قرار گرفته است (Meng et al., 2018; Rozmysłowska-Wojciechowska et al., 2019; X. Yang et al., 2019). علاوه بر این، حذف آلایندههای آلی توسط جذب گاز در MXene برای جذب آلایندههای هوا مانند مولکولهای عطر نیز بررسی شده است (Ciou, Li, & Lee, 2019).
در جدول 1 مروری بر عملکرد MXene در جداسازی مواد مختلف در سالهای اخیر انجام شده است.
جدول 1. جذب آلودگیهای مختلف با ساختارهای ترکیبی MXene
نوع آلودگی | ظرفیت اولیه (میلی گرم بر لیتر) | حداکثر جداسازی (میلی گرم بر گرم) | مرجع |
Pb
| 10mM | 383
| |
Cu | 10mM | 87.6 | |
Th(IV) | 180-5 | 213 | |
Pb(II) | 200 | 284 | |
Cs | 300-5 | 25.4 | |
Pd | 100 | 185 | |
U(VI) | 400-5 | 470 | |
Methylene blue | 50 | 189 | |
Urea | 450-30 | 21.7 | |
Methylene blue | 40-5 | 140 | |
Cr | 10 | 62 | |
U | 100 | 214 |
تصفیه فاضلاب هستهای
با افزایش مصارف انرژی هستهای و پیشرفت آن که منجر به استفاده در مسائل روزمره انسانی شده است، نگرانی ناشی از آلودگیهای زیستمحیطی نیز افزایش یافته است. پسماندهای هستهای به خاطر دارا بودن اکتینیدهای9 با طول عمر بالا، سمیت شیمیایی و رادیولوژیکی بالایی دارند و به همین دلیل ضروری است عملیات جذب آلایندههای پرتو هستهای10 پیش از رهایش در محیطزیست صورت گیرد. از روشهای رایج در این مورد فیلتراسیون غشایی، جذب، ترسیب و استخراج حلالی است (Watanabe et al., 2019)؛ اما هنوز روشی که حداکثر جذب و پایداری مکانیکی و فیزیوشیمیایی را داشته باشد و همچنین تثبیت و جداسازی پرتو هستهایها را به آسانی انجام دهد، معرفی نشده است. مطالعات زیادی جاذبهای جامدی مانند سیلیکا مزوسفروس، نانومواد پایه کربنی، نانوذرات اکسیدی را به خاطر سطح ویژه، کاربرد و تطبیقپذیری بالا در تصفیه پرتوهستهایها جایگزین مناسبی برای جاذبهای رایج پسماندهای هستهای معرفی کردند (Wang et al., 2017; Y.-J. Zhang et al., 2017). مواد دوبعدی رسانای MXene با قابلیت تنظیم کردن ترمینالهای سطحی با توجه به طراحی مواد، مکانهای فعال مناسبی برای جذب و جداسازی پرتو هستهها فراهم میکند. در مطالعه انجام شده در سال 2016 توسط وانگ11 و همکارانش، کاربید وانادیوم MXene را بهعنوان جاذب مناسبی برای اورانیوم با مکانیسم تبادل یونی معرفی کردند؛ نانوصفحات V2CTx با ظرفیت جذب mg.g-1 174 اورانیوم با سرعت جذب و انتخاب پذیری بالا، کاندید مناسبی برای این پسماند هستهای است. نانوصفحات چندلایه V2CTx با حکاکی کردن ماده V2AlC با کمک HF مشابه با دیگر MXeneها بهدستآمده است. همانطور که در شکل 7 مشاهده میشود، نانوصفحات V2CF2 توانسته با ایجاد مکانهای فعال در سطح، امکان اتصال ترجیحی گروه هیدروکسیلی اورانیل12 (UO22 کاتیون) بالاتری نسبت به دیگر مواد دوبعدی با ساختارهای شیمیایی نزدیک به خود با گروههای عاملی –F, -OH, -O ایجاد کند که نشان دهنده تأثیر نوع ترمینالهای خروجی در عملکرد جذب اورانیل است (Wang et al., 2016). از دیگر آلایندههای فاضلابی رادیواکتیو که جذب آن توسط MXene انجام شده است، میتوان به پالادیوم اشاره کرد؛ MXene بهدستآمده از فرایند حکاکی در دمای 45 درجه سانتیگراد قابلیت بازیابی تا 5 سیکل را دارد که از نقاط قوت سیستم حذف مواد رادیواکتیو فاضلاب است (Mu et al., 2019; B. Zhang et al., 2018).
شکل 7. شماتیک جذب داخلی و خارجی اورانیل در نانوصفحات V2CTx. (A) ساختار جذب خارجی اورانیل بر روی نانوصفحات V2C، (B) و (C) ساختار جذب داخلی اورانیل مونودنتات و بیدنتات روی نانوصفحه V2C(OH)2. (د) ساختار جذب داخلی اورانیل در نانوصفحات V2CF2 (Wang et al., 2016).
خواص ضد باکتریایی
بررسی اثر ضد باکتریایی MXene بخصوص Ti3C2Tx برای مصارف بهداشتی، دارویی، پزشکی و تصفیه آب مورد بررسی قرار گرفته است. در شکل 8 فعالیت ضد باکتریایی نانوفیبرهای پلیمری، اکسیدهای فلزی (اکسید روی و دیاکسید Ti) و نانولولههای کربن با MXene ترکیبشده در کیتوسان13 مقایسه شده است. MXene به دلیل لبههای تیز به همراه سطح ویژه بالای ساختار صفحهای و آبدوستی بالای سطح و خاصیت احیایی خوب، محل مناسبی برای توقف رشد و نابودی باکتریها فراهم میکند. علاوه بر این، Ti3C2Tx به دلیل زیستسازگاری بالا و غیرسمی بودن از ایجاد عوارض جانبی در بانداژهای پزشکی التیام زخم جلوگیری میکند. تلفیق Ti3C2Tx و نانوفیبرکیتوسان با روش الکترواسپینینگ توانسته E-Coli و S-aureus را بهترتیب تا میزان 95 و 62 %، احیا کند؛ این ماده بهعلت توانایی جذب نانوفیبرحامل استفاده شده ثبات و پایداری بالایی دارد و با شستشو از بین نمیرود چراکه ترمینالهای سطحی بارمنفی Ti3C2Tx و ترمینالهای مثبت کیتوسان (گروه N دار) اتصال هیدروژنی برقرار میکنند (Mayerberger et al., 2018).
شکل 8. مقایسه کمی قابلیت آنتی باکتریالی و درصد احیا سلولی ساختارهای شناخته شده (Mayerberger et al., 2018).
رسول14 و همکاران (Wei et al., 2018) در مطالعهای خواص ضد باکتریایی Ti3C2Tx در برابر Gram-negative E. coli و Gram-positive B. subtilis بررسی کردند و توانستند در حضور Ti3C2T 200 میکروگرم بر میلیلیتر، میزان زنده ماندن باکتریهای نامبرده را به بیش از 99% برسانند که نشاندهنده قابلیت ضد باکتریایی و زیستکشی بالای ماده سنتز شده در مقایسه با ساختارهای دوبعدی آنتیباکتریال است که علت این امر را میتوان به طبیعت آبدوستی، فضای بین لایهای هیدراتی Ti3C2Tx نسبت داد. در شکل 9 تصویر کاهش تعداد کلونیهای باکتریها با افزایش غلظت Ti3C2Tx نشان داده شده است. کاهش کلونی و مرگ باکتریها با تولید گونههای اکسیژن فعال، تماس مستقیم ماده آنتیباکتریال با غشا باکتری و نفوذ به باکتری انجام میشود. علاوه براین، آنها با مقایسه بین قابلیت ضد باکتریایی MXene و اکسید گرافن، مکانیسم مناسبی برای فعالیت ضد باکتریایی آن پیشنهاد دادند. بهطورکلی، مکانیسم ضد باکتریایی نانومواد دوبعدی پایه کربنی، مانند گرافن، اکسید گرافن، CNT و فلورن به سایز نانوذرات نسبت داده شده است که با نفوذ به غشا سلولی باکتری موجب تخریب فیزیکی و شیمیایی آن میشود (K. Li et al., 2018). اگرچه MXene به دلیل تفاوت در شیمی سطح خواص ضد باکتریایی و سمیت متفاوتی با مواد نام برده دارد اما میتواند در ارائه مکانیسم فعالیت ضد باکتریایی مورد استفاده قرار گیرند.