由于各種頑固污染物需要先進的催化劑和技術進行有效處理，廢水處理正成為一個日益關注的問題。作為二維（2D）過渡金屬碳化物、氮化物和碳氮化物，MXene被認為是環境應用中有前景的候選材料，因其具有包括高表面積、親水表面、結構靈活性和表面可調化學等卓越特性。這篇綜述總結了MXene在光催化和基于過硫酸鹽的高級氧化過程（PS-AOPs）中應用的最新進展，用于去除水和廢水中的各種污染物。MXene和MXene基催化劑的基礎知識和合成技術進行了總結。此外，還討論了提高MXene基催化劑光催化效率的策略、催化降解性能和有機污染物去除的反應機制，通過誘導二元/多組分異質結、S-scheme/Z-scheme、金屬/非金屬摻雜和空位/缺陷工程進行了詳細說明。它還提供了新的視角，包括MXene的單獨使用、MXene的可還原性、MXene作為過硫酸鹽活化的載體和共催化劑，以及光催化活化過硫酸鹽的機制。MXene基催化劑在真實基質中的應用、毒性評估以及MXene的穩定性也得到了強調。最后，該綜述總結了MXene基催化劑在環境應用中的結論、挑戰和機遇，以達到高催化效率。這篇綜述為MXene基催化劑在光催化和PS-AOPs領域的應用提供了有益的知識。
當前，能源與環境研究已被視為社會發展的關鍵議題和緊迫任務。來自空氣、土壤和水體的多源污染對人類及生態環境造成了嚴重且不可逆的影響。作為重要資源的水體正遭受工業廢水污染，包括染料、藥品、酚類化合物、殺蟲劑及各類工廠排放的有毒物質。因此，在廢水排入清潔水體前進行必要處理至關重要。
現有廢水處理技術包括：吸附法、機械蒸汽再壓縮、沉淀法、生物降解、溶劑萃取、膜分離、離子交換、化學氧化及混凝等[1]。然而傳統技術因污染物難降解特性往往處理效果有限。
圖1. (a) 周期表顯示MXenes的化合物。用于創建MXenes的元素顏色編碼[46]。(b) 各種MXenes的示意圖[48]。(c) 六種不同晶體MAX相的原子結構。a軸和c軸是所有結構的共有特征。不同層中的過渡金屬用“M1”和“M2”表示，以表示同一層中過渡金屬之間的不同鍵（M1M1或M2M2）和不同層中的鍵（M1M2）。在M_n+1AX_n（n=1-4）中，M1和M2是相同類型的過渡金屬，而在M2M'AX2和M2M'2AX3中，它們是不同的類型[49]。
圖2.MXene基催化劑用于環境修復的開發時間表。
圖3.(a) HF蝕刻Ti3AlC2 [50]。(b) 酸/鹽溶液蝕刻Ti3AlC2 [38]。(c) XHF2雙氟化物蝕刻Ti3AlC2 [62]。(d) 高溫下通過熔融鹽剝離Lewis酸蝕刻Ti3AlC2 [65]。(e) 堿性KOH溶液蝕刻Ti3AlC2 [66]。(f) 電化學蝕刻[67]。(g) 通過化學聯合球磨合成多孔Ti3C2 [69]。(h) CVD方法在低和高CH4流量下Mo2C晶體的生長[71]。
圖4.不同形態的MXene基催化劑的分類。
圖5.MXene基復合催化劑的合成方法：(a) 使用水熱法的Bi2WO6/Nb2CTx納米片[82]。(b) 使用溶劑熱法的Cu2O/Cu@MXene復合材料[94]。(c) 使用超聲波法的石墨烯@MXene雜化材料[102]。(d) 使用靜電自組裝的TiO2/Ti3C2 MXene/g-C3N4異質結構[120]。
圖6.不同類型的光催化異質結及其電荷載流子轉移途徑的示意圖（SC：半導體，A：電子受體，D：電子供體，RP：還原光催化劑，OP：氧化光催化劑）[161]。
圖7. (a) CdS/Ti3C2Tx異質結構的示意圖，(b) Ti3C2Tx納米片的透射電子顯微鏡(TEM)圖像，(c) 純CdS納米片，(d) CdS/Ti3C2Tx異質結構，(e) 4-NA在CdS/Ti3C2Tx上的光電流密度，(f) Ti3C2Tx增強CdS光穩定性的示意圖[163]。(g) TisC2 MXene/CaIn2S4 (FTC) 復合材料的合成示意圖，(h) FTC的透射電子顯微鏡(TEM)圖像，(i) 不同樣品上Cr(VI)光還原的光催化效率常數，(j) FTC肖特基結中可能的電荷轉移路徑和光催化機制的示意圖[164]。(k) Bi2WO6/Ti3C2體系的光降解和可能的反應機制示意圖[166]。(l) Ti3C2/SrTiO3混合體系的光催化機制和電荷轉移過程[167]。(m) 不同增量負載Ti3C2Tx的所制備光催化劑的相應動力學速率常數，(n) 提出TC降解在Ti3C2Tx堿化g-C3N4 (TC-aCN)復合材料上的光催化機制[131]。(o) TiO2/Ti3C2O光催化劑的能帶圖和光催化反應機制示意圖8]。(p) Nb2O5/Nb2CTx混合體在光催化過程中光生電荷的分離和轉移的可能機制]。
圖8.(a) In2S3/Ti3C2Tx 雜化物的合成過程示意圖，(b, c) In2S3/TiO2@Ti3C2Tx 的透射電子顯微鏡 (TEM) 圖像，(d) 電荷分離和轉移，以及 (e) InTi-16 系統中污染物降解的提出機制 [86]。 (f, g) Ag/g-C3N4/Ti3C2 (ACN/TC) 的 TEM 和高分辨率透射電子顯微鏡 (HRTEM) 圖像，(h) 光電流響應曲線，(i) 在340 nm 激發波長下的光致發光 (PL) 光譜，(j) 提高 ACN/TC 復合材料光催化活性的提出機制 [169]。 (k) Ag/Ag3PO4/Ti3C2 雜化物光催化降解 MO 和光催化還原 Cr(VI) 的提出機制 [170]。 (l) BiOBr/Ti3C2/MMTex 合成過程的示意圖，(m) BiOBr/Ti3C2/MMTex 上 CIP 的降解機制 171]。 (n) g-C3N4/Ti3C2/TNTAs 的提出降解機制 [174]。
圖9. (a) PCN/M/AP混合光催化劑合成過程的示意圖，(b,c) g-C3N4/MXene/Ag3PO4 (PCN/M/AP)的掃描電子顯微鏡(SEM)和透射電子顯微鏡(TEM)圖像，(d) PCN/M/AP在不同時間下對四環素(TC)降解過程的紫外-可見吸收光譜變化，(e) 電化學阻抗譜(EIS)，(f) 樣品的瞬態光電流響應，(g) PCN/M/AP在5個循環中的光催化性能，傳統(h)和S-scheme(i)在PCN/M/AP界面上的光生載流子轉移路徑的可能光催化機制[184]。(j) 在BiVO4-CdS異質結構中構建Z-scheme和共催化劑效應用于光催化還原和氧化反應[188]。(k) TisC2橋接的肖特基/Z-scheme, 肖特基/Z-scheme的可能光催化機制[189]。(l) 通過Z-scheme異質結g-C3N4/Ti3C2 MXene/MoSe2 (CXM)復合材料對ENO的光催化降解機制[190]。
圖10. (a) 在Z-scheme NH2-MIL-125(Ti)/Ti3C2 MXene QDs/ZnIn2S4 (Ti-MOF/QDs/ZIS) 復合光催化劑上抗生素降解的可能光催化機制[194]。光催化去除(b) Cr(VI)和(c) BPA的示意圖，使用WO3/TQDs/In2S3 [192]。(d) 光催化g-C3N4/BiOBr/MXene (CBM) 復合材料的示意圖，(e-g) CBM的HRTEM圖像，(h) 不同BiOBr含量的ESR測試，(i) 樣品的瞬態PL光譜，(j) 光催化降解動力學，(k) 不同樣品對TC的降解速率常數，(l) 提出的CBM表面電荷轉移和分離的機理，用于TC-HCl降解[195]。Bi2WO6/Ti3C2/SnNb2O6 (BWO/TC/SNO) 復合材料的電荷載流子轉移路徑：(m) 傳統II型，(n) Z-scheme型[196]。
圖11. (a) 元素摻雜機制模型[198]。 (b) Ti3C2Tx MXene的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像，(c) BiOBr，以及(d) (Ti,C)-BiOBr/0.10 Ti3C2Tx 納米復合材料，(e) Tauc圖顯示BiOBr、Ti3C2Tx MXene和(Ti,C)-BiOBr/Ti3C2Tx 納米復合材料的帶隙，(f) BiOBr和(Ti,C)-BiOBr/Ti3C2Tx 納米復合材料的PL光譜，(g) 不同波長光照下制備樣品的DeNOx轉換能力，(h) (Ti,C)-BiOBr/0.10 Ti3C2Tx 納米復合材料的轉換穩定性，(i) BiOBr/Ti3C2Tx和(Ti,C)-BiOBr/Ti3C2Tx的光催化NOx降解機制[202]。 (j) 轉換的Kubelka-Munk函數與光子能量的關系圖，(k) 光電流響應，(l) 樣品EIS的Nyquist圖，(m) 淬滅實驗，(n) Sm摻雜g-CN4/Ti3C2 MXene (SCN/MX)上CIP降解的光催化機制[203]。 (o) 制備2D層狀N-TiO2@C的示意圖，(p) 光催化苯酚降解的示意圖[207]。
圖12. (a) Bi2O2CO3/Ti3C2Tx（BCT）制備示意圖，(b-d) BCT的掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）和高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）圖像，(e) 樣品的拉曼光譜，(f) 不同樣品的高分辨率X射線光電子能譜（XPS）O 1s譜，(g) 紫外-可見漫反射光譜，(h) 不同樣品的Tauc圖，(i) 電子順磁共振（EPR）光譜，(j) 光致發光（PL）光譜，(k) BCT光催化降解LEV的機制[213]。(l) NiFe-LDH/Ti3C2Tx MXene（LM）納米復合材料的合成示意圖，(m) LM的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像，(n) LM的透射電子顯微鏡（TEM）圖像，(o) LM的高分辨率透射電子顯微鏡（HRTEM）圖像，(p) LM中氧空位的電子自旋共振（ESR）光譜，(q) LM納米雜化物光催化降解NOR的提出途徑[214]。(r) C/Ti3C2/(001)TiO2-HMs的制備示意圖和光催化降解TC的提出機制[216]。
圖13.(a) Mo?C MXene的XRD， (b) Mo?Ga?C和(c) Mo?C MXene的SEM圖像， (d) Mo?C MXene的TEM圖像， (e) EIS圖譜， (f) Mo?Ga?C和Mo?C MXene的EPR，Mo 3d的高分辨率XPS光譜（g）新鮮的和（h）用過的Mo?C MXene， (i) Mo?C MXene激活PMS降解BPA的提出機制[251]。 (j) 溶液pH對PMS/Fe(III)/MXene中PMS激活的可能影響機制[256]。
圖14. (a) Cu-SA/MXene催化劑合成的示意圖，(b, c) Cu-SA/MXene的SEM和TEM圖像，(d) Cu-SA/MXene在新鮮和使用后的Cu 2p的XPS光譜，(e) Cu-SA/MXene的穩定性測試，(f) Cu-SA/MXene/PMS產生^1O_2的機制[266]。 (g) CoO@TiO2/MXene雜化物的合成策略的示意圖，(h) CoO@TiO2/MXene（CTM）的TEM圖像，(i) TM、CTM和純MXene催化劑的N2吸附-脫附等溫線（插圖顯示了CTM催化劑的孔徑分布），(j) 不同系統的瞬態光電流響應，(k) CTM/PMS/Vis和CTM/PMS系統中Co 2p的高分辨率XPS光譜，(l) 在CoO@TiO2/Ti3C2/PMS/Vis系統中催化降解苯酚的擬議方案[274]。
圖15.使用（a）Vigna radiata和（b）Vigna unguiculata處理前后RhB的植物毒性。插圖顯示了Vigna radiata和Vigna unguiculata種子在不同樣品下的發芽情況，分別為：1. 處理后，2. 處理前和3. 對照組[281]。(c) 使用不同水源的Cr(VI)光還原效率[164]。(d) 五種實際水體中BPA的降解百分比[251]。(e) 不同水體基質中ONZ的降解[258]。(f) Cu-SA/MXene/PMS/PVDF系統處理聚碳酸酯植物廢水的效果[266]。(g, i) 黑暗中的生態毒性實驗和(h, j) 可見光下g-C3N4/BiOBr(CB)和g-C3N4/BiOBr/MXene (CBM)的光催化抑菌實驗[195]。
近年來，MXenes作為高級氧化工藝（AOPs）中的潛力催化劑，尤其在光催化和過硫酸鹽-AOPs領域受到廣泛關注。其獨特的性質——包括高比表面積、親水表面、結構柔性、多樣化的表面化學特性以及可調帶隙結構——使其成為催化應用的理想材料。本文綜述了MXene及MXene基催化劑在多相光催化中的基本原理、合成策略、催化活性，以及在過硫酸鹽活化中的應用進展。
轉自《石墨烯研究》公眾號
