由于各种顽固污染物需要先进的催化剂和技术进行有效处理，废水处理正成为一个日益关注的问题。作为二维（2D）过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物，MXene被认为是环境应用中有前景的候选材料，因其具有包括高表面积、亲水表面、结构灵活性和表面可调化学等卓越特性。这篇综述总结了MXene在光催化和基于过硫酸盐的高级氧化过程（PS-AOPs）中应用的最新进展，用于去除水和废水中的各种污染物。MXene和MXene基催化剂的基础知识和合成技术进行了总结。此外，还讨论了提高MXene基催化剂光催化效率的策略、催化降解性能和有机污染物去除的反应机制，通过诱导二元/多组分异质结、S-scheme/Z-scheme、金属/非金属掺杂和空位/缺陷工程进行了详细说明。它还提供了新的视角，包括MXene的单独使用、MXene的可还原性、MXene作为过硫酸盐活化的载体和共催化剂，以及光催化活化过硫酸盐的机制。MXene基催化剂在真实基质中的应用、毒性评估以及MXene的稳定性也得到了强调。最后，该综述总结了MXene基催化剂在环境应用中的结论、挑战和机遇，以达到高催化效率。这篇综述为MXene基催化剂在光催化和PS-AOPs领域的应用提供了有益的知识。
当前，能源与环境研究已被视为社会发展的关键议题和紧迫任务。来自空气、土壤和水体的多源污染对人类及生态环境造成了严重且不可逆的影响。作为重要资源的水体正遭受工业废水污染，包括染料、药品、酚类化合物、杀虫剂及各类工厂排放的有毒物质。因此，在废水排入清洁水体前进行必要处理至关重要。
现有废水处理技术包括：吸附法、机械蒸汽再压缩、沉淀法、生物降解、溶剂萃取、膜分离、离子交换、化学氧化及混凝等[1]。然而传统技术因污染物难降解特性往往处理效果有限。


 
图1. (a) 周期表显示MXenes的化合物。用于创建MXenes的元素颜色编码[46]。(b) 各种MXenes的示意图[48]。(c) 六种不同晶体MAX相的原子结构。a轴和c轴是所有结构的共有特征。不同层中的过渡金属用“M1”和“M2”表示，以表示同一层中过渡金属之间的不同键（M1M1或M2M2）和不同层中的键（M1M2）。在M_n+1AX_n（n=1-4）中，M1和M2是相同类型的过渡金属，而在M2M'AX2和M2M'2AX3中，它们是不同的类型[49]。
 
 
图2.MXene基催化剂用于环境修复的开发时间表。
 
 
图3.(a) HF蚀刻Ti3AlC2 [50]。(b) 酸/盐溶液蚀刻Ti3AlC2 [38]。(c) XHF2双氟化物蚀刻Ti3AlC2 [62]。(d) 高温下通过熔融盐剥离Lewis酸蚀刻Ti3AlC2 [65]。(e) 碱性KOH溶液蚀刻Ti3AlC2 [66]。(f) 电化学蚀刻[67]。(g) 通过化学联合球磨合成多孔Ti3C2 [69]。(h) CVD方法在低和高CH4流量下Mo2C晶体的生长[71]。
 
 
图4.不同形态的MXene基催化剂的分类。
 
 
图5.MXene基复合催化剂的合成方法：(a) 使用水热法的Bi2WO6/Nb2CTx纳米片[82]。(b) 使用溶剂热法的Cu2O/Cu@MXene复合材料[94]。(c) 使用超声波法的石墨烯@MXene杂化材料[102]。(d) 使用静电自组装的TiO2/Ti3C2 MXene/g-C3N4异质结构[120]。
 
 
图6.不同类型的光催化异质结及其电荷载流子转移途径的示意图（SC：半导体，A：电子受体，D：电子供体，RP：还原光催化剂，OP：氧化光催化剂）[161]。
 
 
图7. (a) CdS/Ti3C2Tx异质结构的示意图，(b) Ti3C2Tx纳米片的透射电子显微镜(TEM)图像，(c) 纯CdS纳米片，(d) CdS/Ti3C2Tx异质结构，(e) 4-NA在CdS/Ti3C2Tx上的光电流密度，(f) Ti3C2Tx增强CdS光稳定性的示意图[163]。(g) TisC2 MXene/CaIn2S4 (FTC) 复合材料的合成示意图，(h) FTC的透射电子显微镜(TEM)图像，(i) 不同样品上Cr(VI)光还原的光催化效率常数，(j) FTC肖特基结中可能的电荷转移路径和光催化机制的示意图[164]。(k) Bi2WO6/Ti3C2体系的光降解和可能的反应机制示意图[166]。(l) Ti3C2/SrTiO3混合体系的光催化机制和电荷转移过程[167]。(m) 不同增量负载Ti3C2Tx的所制备光催化剂的相应动力学速率常数，(n) 提出TC降解在Ti3C2Tx碱化g-C3N4 (TC-aCN)复合材料上的光催化机制[131]。(o) TiO2/Ti3C2O光催化剂的能带图和光催化反应机制示意图8]。(p) Nb2O5/Nb2CTx混合体在光催化过程中光生电荷的分离和转移的可能机制]。
 
 
图8.(a) In2S3/Ti3C2Tx 杂化物的合成过程示意图，(b, c) In2S3/TiO2@Ti3C2Tx 的透射电子显微镜 (TEM) 图像，(d) 电荷分离和转移，以及 (e) InTi-16 系统中污染物降解的提出机制 [86]。 (f, g) Ag/g-C3N4/Ti3C2 (ACN/TC) 的 TEM 和高分辨率透射电子显微镜 (HRTEM) 图像，(h) 光电流响应曲线，(i) 在340 nm 激发波长下的光致发光 (PL) 光谱，(j) 提高 ACN/TC 复合材料光催化活性的提出机制 [169]。 (k) Ag/Ag3PO4/Ti3C2 杂化物光催化降解 MO 和光催化还原 Cr(VI) 的提出机制 [170]。 (l) BiOBr/Ti3C2/MMTex 合成过程的示意图，(m) BiOBr/Ti3C2/MMTex 上 CIP 的降解机制 171]。 (n) g-C3N4/Ti3C2/TNTAs 的提出降解机制 [174]。
 
 
图9. (a) PCN/M/AP混合光催化剂合成过程的示意图，(b,c) g-C3N4/MXene/Ag3PO4 (PCN/M/AP)的扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)图像，(d) PCN/M/AP在不同时间下对四环素(TC)降解过程的紫外-可见吸收光谱变化，(e) 电化学阻抗谱(EIS)，(f) 样品的瞬态光电流响应，(g) PCN/M/AP在5个循环中的光催化性能，传统(h)和S-scheme(i)在PCN/M/AP界面上的光生载流子转移路径的可能光催化机制[184]。(j) 在BiVO4-CdS异质结构中构建Z-scheme和共催化剂效应用于光催化还原和氧化反应[188]。(k) TisC2桥接的肖特基/Z-scheme, 肖特基/Z-scheme的可能光催化机制[189]。(l) 通过Z-scheme异质结g-C3N4/Ti3C2 MXene/MoSe2 (CXM)复合材料对ENO的光催化降解机制[190]。
 
 
图10. (a) 在Z-scheme NH2-MIL-125(Ti)/Ti3C2 MXene QDs/ZnIn2S4 (Ti-MOF/QDs/ZIS) 复合光催化剂上抗生素降解的可能光催化机制[194]。光催化去除(b) Cr(VI)和(c) BPA的示意图，使用WO3/TQDs/In2S3 [192]。(d) 光催化g-C3N4/BiOBr/MXene (CBM) 复合材料的示意图，(e-g) CBM的HRTEM图像，(h) 不同BiOBr含量的ESR测试，(i) 样品的瞬态PL光谱，(j) 光催化降解动力学，(k) 不同样品对TC的降解速率常数，(l) 提出的CBM表面电荷转移和分离的机理，用于TC-HCl降解[195]。Bi2WO6/Ti3C2/SnNb2O6 (BWO/TC/SNO) 复合材料的电荷载流子转移路径：(m) 传统II型，(n) Z-scheme型[196]。
 
 
图11. (a) 元素掺杂机制模型[198]。 (b) Ti3C2Tx MXene的扫描电子显微镜（SEM）图像，(c) BiOBr，以及(d) (Ti,C)-BiOBr/0.10 Ti3C2Tx 纳米复合材料，(e) Tauc图显示BiOBr、Ti3C2Tx MXene和(Ti,C)-BiOBr/Ti3C2Tx 纳米复合材料的带隙，(f) BiOBr和(Ti,C)-BiOBr/Ti3C2Tx 纳米复合材料的PL光谱，(g) 不同波长光照下制备样品的DeNOx转换能力，(h) (Ti,C)-BiOBr/0.10 Ti3C2Tx 纳米复合材料的转换稳定性，(i) BiOBr/Ti3C2Tx和(Ti,C)-BiOBr/Ti3C2Tx的光催化NOx降解机制[202]。 (j) 转换的Kubelka-Munk函数与光子能量的关系图，(k) 光电流响应，(l) 样品EIS的Nyquist图，(m) 淬灭实验，(n) Sm掺杂g-CN4/Ti3C2 MXene (SCN/MX)上CIP降解的光催化机制[203]。 (o) 制备2D层状N-TiO2@C的示意图，(p) 光催化苯酚降解的示意图[207]。
 
 
图12. (a) Bi2O2CO3/Ti3C2Tx（BCT）制备示意图，(b-d) BCT的扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）和高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像，(e) 样品的拉曼光谱，(f) 不同样品的高分辨率X射线光电子能谱（XPS）O 1s谱，(g) 紫外-可见漫反射光谱，(h) 不同样品的Tauc图，(i) 电子顺磁共振（EPR）光谱，(j) 光致发光（PL）光谱，(k) BCT光催化降解LEV的机制[213]。(l) NiFe-LDH/Ti3C2Tx MXene（LM）纳米复合材料的合成示意图，(m) LM的扫描电子显微镜（SEM）图像，(n) LM的透射电子显微镜（TEM）图像，(o) LM的高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）图像，(p) LM中氧空位的电子自旋共振（ESR）光谱，(q) LM纳米杂化物光催化降解NOR的提出途径[214]。(r) C/Ti3C2/(001)TiO2-HMs的制备示意图和光催化降解TC的提出机制[216]。
 
 
图13.(a) Mo₂C MXene的XRD， (b) Mo₂Ga₂C和(c) Mo₂C MXene的SEM图像， (d) Mo₂C MXene的TEM图像， (e) EIS图谱， (f) Mo₂Ga₂C和Mo₂C MXene的EPR，Mo 3d的高分辨率XPS光谱（g）新鲜的和（h）用过的Mo₂C MXene， (i) Mo₂C MXene激活PMS降解BPA的提出机制[251]。 (j) 溶液pH对PMS/Fe(III)/MXene中PMS激活的可能影响机制[256]。
 
 
图14. (a) Cu-SA/MXene催化剂合成的示意图，(b, c) Cu-SA/MXene的SEM和TEM图像，(d) Cu-SA/MXene在新鲜和使用后的Cu 2p的XPS光谱，(e) Cu-SA/MXene的稳定性测试，(f) Cu-SA/MXene/PMS产生^1O_2的机制[266]。 (g) CoO@TiO2/MXene杂化物的合成策略的示意图，(h) CoO@TiO2/MXene（CTM）的TEM图像，(i) TM、CTM和纯MXene催化剂的N2吸附-脱附等温线（插图显示了CTM催化剂的孔径分布），(j) 不同系统的瞬态光电流响应，(k) CTM/PMS/Vis和CTM/PMS系统中Co 2p的高分辨率XPS光谱，(l) 在CoO@TiO2/Ti3C2/PMS/Vis系统中催化降解苯酚的拟议方案[274]。
 
 
图15.使用（a）Vigna radiata和（b）Vigna unguiculata处理前后RhB的植物毒性。插图显示了Vigna radiata和Vigna unguiculata种子在不同样品下的发芽情况，分别为：1. 处理后，2. 处理前和3. 对照组[281]。(c) 使用不同水源的Cr(VI)光还原效率[164]。(d) 五种实际水体中BPA的降解百分比[251]。(e) 不同水体基质中ONZ的降解[258]。(f) Cu-SA/MXene/PMS/PVDF系统处理聚碳酸酯植物废水的效果[266]。(g, i) 黑暗中的生态毒性实验和(h, j) 可见光下g-C3N4/BiOBr(CB)和g-C3N4/BiOBr/MXene (CBM)的光催化抑菌实验[195]。
 
        近年来，MXenes作为高级氧化工艺（AOPs）中的潜力催化剂，尤其在光催化和过硫酸盐-AOPs领域受到广泛关注。其独特的性质——包括高比表面积、亲水表面、结构柔性、多样化的表面化学特性以及可调带隙结构——使其成为催化应用的理想材料。本文综述了MXene及MXene基催化剂在多相光催化中的基本原理、合成策略、催化活性，以及在过硫酸盐活化中的应用进展。

转自《石墨烯研究》公众号