由于各種頑固污染物需要先進(jìn)的催化劑和技術(shù)進(jìn)行有效處理，廢水處理正成為一個(gè)日益關(guān)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(rèn)為是環(huán)境應(yīng)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(jié)構(gòu)靈活性和表面可調(diào)化學(xué)等卓越特性。這篇綜述總結(jié)了MXene在光催化和基于過硫酸鹽的高級(jí)氧化過程（PS-AOPs）中應(yīng)用的最新進(jìn)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(chǔ)知識(shí)和合成技術(shù)進(jìn)行了總結(jié)。此外，還討論了提高M(jìn)Xene基催化劑光催化效率的策略、催化降解性能和有機(jī)污染物去除的反應(yīng)機(jī)制，通過誘導(dǎo)二元/多組分異質(zhì)結(jié)、S-scheme/Z-scheme、金屬/非金屬摻雜和空位/缺陷工程進(jìn)行了詳細(xì)說明。它還提供了新的視角，包括MXene的單獨(dú)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(jī)制。MXene基催化劑在真實(shí)基質(zhì)中的應(yīng)用、毒性評(píng)估以及MXene的穩(wěn)定性也得到了強(qiáng)調(diào)。最后，該綜述總結(jié)了MXene基催化劑在環(huán)境應(yīng)用中的結(jié)論、挑戰(zhàn)和機(jī)遇，以達(dá)到高催化效率。這篇綜述為MXene基催化劑在光催化和PS-AOPs領(lǐng)域的應(yīng)用提供了有益的知識(shí)。
當(dāng)前，能源與環(huán)境研究已被視為社會(huì)發(fā)展的關(guān)鍵議題和緊迫任務(wù)。來自空氣、土壤和水體的多源污染對(duì)人類及生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重且不可逆的影響。作為重要資源的水體正遭受工業(yè)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(zhì)。因此，在廢水排入清潔水體前進(jìn)行必要處理至關(guān)重要。
現(xiàn)有廢水處理技術(shù)包括：吸附法、機(jī)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(xué)氧化及混凝等[1]。然而傳統(tǒng)技術(shù)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(chuàng)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(jié)構(gòu)。a軸和c軸是所有結(jié)構(gòu)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(huán)境修復(fù)的開發(fā)時(shí)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(xué)蝕刻[67]。(g) 通過化學(xué)聯(lián)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(tài)的MXene基催化劑的分類。
圖5.MXene基復(fù)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(fù)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(zhì)結(jié)構(gòu)[120]。
圖6.不同類型的光催化異質(zhì)結(jié)及其電荷載流子轉(zhuǎn)移途徑的示意圖（SC：半導(dǎo)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(zhì)結(jié)構(gòu)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(zhì)結(jié)構(gòu)，(e) 4-NA在CdS/Ti3C2Tx上的光電流密度，(f) Ti3C2Tx增強(qiáng)CdS光穩(wěn)定性的示意圖[163]。(g) TisC2 MXene/CaIn2S4 (FTC) 復(fù)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(shù)，(j) FTC肖特基結(jié)中可能的電荷轉(zhuǎn)移路徑和光催化機(jī)制的示意圖[164]。(k) Bi2WO6/Ti3C2體系的光降解和可能的反應(yīng)機(jī)制示意圖[166]。(l) Ti3C2/SrTiO3混合體系的光催化機(jī)制和電荷轉(zhuǎn)移過程[167]。(m) 不同增量負(fù)載Ti3C2Tx的所制備光催化劑的相應(yīng)動(dòng)力學(xué)速率常數(shù)，(n) 提出TC降解在Ti3C2Tx堿化g-C3N4 (TC-aCN)復(fù)合材料上的光催化機(jī)制[131]。(o) TiO2/Ti3C2O光催化劑的能帶圖和光催化反應(yīng)機(jī)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(zhuǎn)移的可能機(jī)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(zhuǎn)移，以及 (e) InTi-16 系統(tǒng)中污染物降解的提出機(jī)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(yīng)曲線，(i) 在340 nm 激發(fā)波長下的光致發(fā)光 (PL) 光譜，(j) 提高 ACN/TC 復(fù)合材料光催化活性的提出機(jī)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(jī)制 [170]。 (l) BiOBr/Ti3C2/MMTex 合成過程的示意圖，(m) BiOBr/Ti3C2/MMTex 上 CIP 的降解機(jī)制 171]。 (n) g-C3N4/Ti3C2/TNTAs 的提出降解機(jī)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(shí)間下對(duì)四環(huán)素(TC)降解過程的紫外-可見吸收光譜變化，(e) 電化學(xué)阻抗譜(EIS)，(f) 樣品的瞬態(tài)光電流響應(yīng)，(g) PCN/M/AP在5個(gè)循環(huán)中的光催化性能，傳統(tǒng)(h)和S-scheme(i)在PCN/M/AP界面上的光生載流子轉(zhuǎn)移路徑的可能光催化機(jī)制[184]。(j) 在BiVO4-CdS異質(zhì)結(jié)構(gòu)中構(gòu)建Z-scheme和共催化劑效應(yīng)用于光催化還原和氧化反應(yīng)[188]。(k) TisC2橋接的肖特基/Z-scheme, 肖特基/Z-scheme的可能光催化機(jī)制[189]。(l) 通過Z-scheme異質(zhì)結(jié)g-C3N4/Ti3C2 MXene/MoSe2 (CXM)復(fù)合材料對(duì)ENO的光催化降解機(jī)制[190]。
圖10. (a) 在Z-scheme NH2-MIL-125(Ti)/Ti3C2 MXene QDs/ZnIn2S4 (Ti-MOF/QDs/ZIS) 復(fù)合光催化劑上抗生素降解的可能光催化機(jī)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(fù)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(tài)PL光譜，(j) 光催化降解動(dòng)力學(xué)，(k) 不同樣品對(duì)TC的降解速率常數(shù)，(l) 提出的CBM表面電荷轉(zhuǎn)移和分離的機(jī)理，用于TC-HCl降解[195]。Bi2WO6/Ti3C2/SnNb2O6 (BWO/TC/SNO) 復(fù)合材料的電荷載流子轉(zhuǎn)移路徑：(m) 傳統(tǒng)II型，(n) Z-scheme型[196]。
圖11. (a) 元素?fù)诫s機(jī)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(fù)合材料，(e) Tauc圖顯示BiOBr、Ti3C2Tx MXene和(Ti,C)-BiOBr/Ti3C2Tx 納米復(fù)合材料的帶隙，(f) BiOBr和(Ti,C)-BiOBr/Ti3C2Tx 納米復(fù)合材料的PL光譜，(g) 不同波長光照下制備樣品的DeNOx轉(zhuǎn)換能力，(h) (Ti,C)-BiOBr/0.10 Ti3C2Tx 納米復(fù)合材料的轉(zhuǎn)換穩(wěn)定性，(i) BiOBr/Ti3C2Tx和(Ti,C)-BiOBr/Ti3C2Tx的光催化NOx降解機(jī)制[202]。 (j) 轉(zhuǎn)換的Kubelka-Munk函數(shù)與光子能量的關(guān)系圖，(k) 光電流響應(yīng)，(l) 樣品EIS的Nyquist圖，(m) 淬滅實(shí)驗(yàn)，(n) Sm摻雜g-CN4/Ti3C2 MXene (SCN/MX)上CIP降解的光催化機(jī)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(fā)光（PL）光譜，(k) BCT光催化降解LEV的機(jī)制[213]。(l) NiFe-LDH/Ti3C2Tx MXene（LM）納米復(fù)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(jī)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(jī)制[251]。 (j) 溶液pH對(duì)PMS/Fe(III)/MXene中PMS激活的可能影響機(jī)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(wěn)定性測試，(f) Cu-SA/MXene/PMS產(chǎn)生^1O_2的機(jī)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(tǒng)的瞬態(tài)光電流響應(yīng)，(k) CTM/PMS/Vis和CTM/PMS系統(tǒng)中Co 2p的高分辨率XPS光譜，(l) 在CoO@TiO2/Ti3C2/PMS/Vis系統(tǒng)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(fā)芽情況，分別為：1. 處理后，2. 處理前和3. 對(duì)照組[281]。(c) 使用不同水源的Cr(VI)光還原效率[164]。(d) 五種實(shí)際水體中BPA的降解百分比[251]。(e) 不同水體基質(zhì)中ONZ的降解[258]。(f) Cu-SA/MXene/PMS/PVDF系統(tǒng)處理聚碳酸酯植物廢水的效果[266]。(g, i) 黑暗中的生態(tài)毒性實(shí)驗(yàn)和(h, j) 可見光下g-C3N4/BiOBr(CB)和g-C3N4/BiOBr/MXene (CBM)的光催化抑菌實(shí)驗(yàn)[195]。
近年來，MXenes作為高級(jí)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(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。其獨(dú)特的性質(zhì)——包括高比表面積、親水表面、結(jié)構(gòu)柔性、多樣化的表面化學(xué)特性以及可調(diào)帶隙結(jié)構(gòu)——使其成為催化應(yīng)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(yīng)用進(jìn)展。
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號(hào)
