二维膜是将剥离的二维纳米片通过抽滤、涂布等方法层层堆叠而成的一类新型的分离膜。相对于传统膜材料，二维膜不仅分离性能优异而且具有良好的机械强度、热稳定性和柔性。二维膜被认为是最具有应用潜力的下一代分离膜。本论文系统的综述了二维材料及二维膜的种类，并介绍了二维膜在分离中的应用的研究现状。本论文利用理论分析和实验手段相结合设计并制备了一系列基于新型二维MXene材料的膜及其在水处理、气体分离、离子分离中的应用展开了深入的研究，具体工作如下：
　　(1)报道了一种多孔的二维MXene水处理膜。利用氢氟酸溶液，首先对Ti3AlC2进行选择性刻蚀，然后超声得到了横向尺寸为100~300nm二维MXene纳米片，其次将MXene纳米片溶液与氢氧化铁胶体溶液混合抽滤在多孔的阳极氧化铝基底上，最后用稀盐酸对膜进行处理，得到了多孔的二维MXene膜。首次将二维MXene膜用于水处理过程，能有效的将水中尺寸大于2.5nm的粒子分离除去(90%)，同时水通量高达1000Lm-2h-1bar-1。
　　(2)首次报道了二维MXene气体分离膜。通过改进合成方法，利用氟化锂和稀盐酸对Ti3AlC2进行选择性刻蚀，得到了横向尺寸为1~2μm的二维MXene纳米片。然后直接将MXene纳米片溶液负载在多孔基底上，干燥后将MXene膜剥落，得到了自支撑、层间距为0.35nm、结构高度有序的二维MXene膜。所得到的MXene膜无论折叠、弯曲，膜依然能保持完整性，显示了优异的机械性能。并首次将其用在气体分离领域。在用于H2/CO2的混合气体分离的过程中，H2渗透通量高到2200Barrer，H2/CO2的分离选择性达到160，优于同时期其他二维膜，是目前国际上对H2/CO2的分离能力最大的材料之一。
　　(3)设计并制备了抗溶胀的二维MXene离子分离膜。基于前面的研究工作，将二维MXene纳米片溶液抽滤在多孔聚醚砜基底上。再利用金属盐离子溶液处理膜，得到了离子插层的二维MXene膜。由于具有优异的抗溶胀效果，此膜对模拟海水中的盐离子(Li+、Na+、K+、Mg2+等)的截留率高达99%以上。由DFT计算得到的分子轨道分析清楚地揭示了Al3+空轨道和氧的孤对电子之间的交联。这一发现清楚地表明，位于MXene纳米片表面的氧基是Al3+最稳定的吸附位点。这些相互作用成功的抑制了膜在水溶液中的溶胀，从而稳定了层间距。