综述：气体纳米化：变革性纳米技术重新定义脑部疾病的气体治疗学

　　这篇综述系统评述了MXene基纳米复合材料在光催化环境修复和可再生能源应用中的最新进展。文章重点阐述了MXenes（二维过渡金属碳化物/氮化物）作为高效助催化剂，通过形成肖特基结和Z型异质结等策略，显著提升光催化污染物降解、CO2还原和H2制氢性能的机理。同时，综述也分析了MXene材料面临的稳定性、氧化及规模化制备等挑战，并展望了绿色合成、稳定性提升等未来研究方向。

　　

引言

世界正面临着能源危机和环境恶化的双重挑战。传统的水处理方法和制氢技术存在效率低、成本高、二次污染等问题。光催化技术作为一种绿色、可持续的解决方案，能够利用太阳能同时实现污染物降解和清洁能源生产（如氢气制备和二氧化碳转化）。然而，单一的光催化剂（如TiO₂、g-C₃N₄）往往存在光生载流子复合快、可见光吸收有限等缺点。二维材料MXenes的出现，为解决这些瓶颈提供了新的机遇。

MXene的结构与性质

MXenes是一类新型的二维材料，其通式为M_n+1X_nT_x（其中M为过渡金属，X为碳或氮，T_x为表面终止基团，如-O, -OH, -F）。它们通常通过选择性蚀刻MAX相（如Ti₃AlC₂）中的Al层来制备。MXenes拥有极高的电导率、可调的带隙结构、亲水性的表面和巨大的比表面积。这些特性使其在作为光催化复合材料中的助催化剂时，能够有效促进电荷分离，提高反应活性。

MXene基光催化材料的合成路线

MXene基光催化材料的合成通常包括两个主要步骤：首先是从MAX相中通过HF或原位生成HF的方法蚀刻并剥离得到少层或多层的MXene纳米片；然后是通过水热/溶剂热法、机械/超声混合或煅烧等方法将MXene与光活性半导体（如TiO₂、g-C₃N₄、CdS等）复合。例如，通过静电自组装可以成功构建一维/二维的CdS/Ti₃C₂异质结构。合成方法的选择直接影响复合材料的形貌、界面相互作用和最终的光催化性能。

提升MXene基材料光催化活性的策略

1. 1.
   MXene作为助催化剂：MXenes类似于贵金属，可以与半导体形成肖特基结，作为电子受体有效分离光生电子和空穴，抑制其复合。
2. 2.
   MXene基肖特基结：例如，Ag₃PO₄/Ti₃C₂和ZnO@Ti₃C₂等肖特基结的形成，显著增强了对抗生素和染料的降解能力。
3. 3.
   固态Z型异质结：MXene可以作为电子介质，构建Z型异质结（如g-C₃N₄@Ti₃C₂@WO₃），在高效分离电荷的同时，保留半导体更强的氧化还原能力。
4. 4.
   表面终止基团修饰：MXene的表面终止基团（-O, -OH, -F）直接影响其功函数和电导率。通过调控表面终止基团（如增加-O终止），可以优化其与半导体的能带匹配，从而提升肖特基结的性能。
5. 5.
   形貌调控：除了二维纳米片，零维的MXene量子点（QDs）因其小尺寸效应和丰富的活性位点，也被证明能有效提升光催化性能。
6. 6.
   元素组成调控：除了最常见的Ti₃C₂，其他MXenes（如V₂C, Mo₂C）以及双过渡金属MXenes（DTMs）也展现出独特的性质和应用潜力。

MXene基材料的光催化环境应用

1. 1.
   光催化水修复
   • •
     有机污染物降解：MXene基复合材料（如g-C₃N₄/Ti₃C₂/MoSe₂ Z型异质结）能高效降解染料、药品、酚类等有机污染物，甚至对微塑料和全氟烷基物质（PFAS）等新兴污染物也展现出降解潜力。
   • •
     无机污染物去除：MXene与金属硫化物（如CdIn₂S₄、ZnIn₂S₄）或金属氧化物（如TiO₂）的复合材料能通过光催化还原将水体中的Cr(VI)、As(III)、U(VI)等有毒重金属离子转化为毒性较低或更易去除的形态。
   • •
     微生物污染物灭活：MXene复合材料（如g-C₃N₄纳米片/Ti₃C₂T_x MXene/TiO₂）通过光催化产生的活性氧（ROS）以及MXene纳米片本身的物理切割作用，能有效灭活大肠杆菌和金黄色葡萄球菌等致病微生物。
2. 2.
   光催化二氧化碳转化
   MXene与金属氧化物（如Cu₂O/Ti₃C₂、TiO₂/Ti₃C₂）或g-C₃N₄形成的异质结，能够将CO₂高效转化为CO、CH₄、甲醇等有价值的化学品。MXene在其中的作用包括促进电荷分离、提供CO₂吸附位点以及稳定反应中间体。
3. 3.
   光催化制氢
   MXene与多种光催化剂（如CdS、g-C₃N₄、TiO₂、ZnS）复合，能大幅提升光催化分解水制氢的速率。例如，二维/二维的CdS/Ti₃C₂复合材料表现出远高于单一CdS的产氢活性。MXene作为助催化剂，有效捕获光生电子，降低了质子还原的过电位，并抑制了CdS的光腐蚀。

挑战与未来展望

尽管MXene基光催化剂展现出巨大潜力，但其实际应用仍面临挑战：首先，MXene在光催化反应条件下的化学稳定性（尤其是抗氧化性）有待提高；其次，当前基于HF的合成方法存在安全风险和环境污染，需要开发绿色、可规模化的替代路线；此外，MXene纳米片的易团聚倾向也会降低其活性比表面积。

未来的研究应聚焦于：开发无氟或温和的MXene合成策略；通过表面钝化、包覆或构建核壳结构来提高MXene的稳定性；深入探究MXene与半导体之间的界面电荷转移机制，以指导高性能光催化剂的理性设计；并将研究从实验室规模推向实际应用测试。