静电纺丝制备的g-C3N4/Ti3C2T/xCu2O异质结构纳米纤维：用于高效可见光光催化降解染料和多氯联苯（PPCPs），同时具备优异的重复使用性能

《Environmental Technology & Innovation》：Electrospun g-C 3N 4/Ti 3C 2T x/Cu 2O Z-Scheme Heterojunction Nanofibers for Efficient Visible-Light Photocatalytic Degradation of Dyes and PPCPs with Robust Reusability

　　纳米纤维膜光催化降解污染物研究

　　
本研究针对传统光催化材料存在的可回收性差、稳定性不足等问题，创新性地开发了基于Ti3C2TX MXene的三元Z型异质结纳米纤维膜（CTC-NFs），通过电纺工艺实现了活性组分的高效集成与稳定分散。该纳米纤维膜在可见光驱动下展现出卓越的有机污染物降解性能，其核心创新点主要体现在材料设计、制备工艺优化以及多维度表征验证三个层面。

在材料设计方面，研究团队突破性地将二维过渡金属碳化物/氮化物（MXene）与宽带隙半导体（g-C3N4）及窄带隙金属氧化物（Cu2O）组成三元Z型异质结体系。Ti3C2TX作为导电中间层，其独特的层状结构和优异的电子传输性能（表面电导率达10^4 S/m量级）显著提升了光生载流子的分离效率。通过调控g-C3N4与Cu2O的能级匹配（Cu2O导带电位-0.2 V vs. Ag/AgCl，g-C3N4价带电位+0.77 V vs. SHE），实现了光生电子向Cu2O导带的高效迁移（电子转移效率提升至92%），同时保留g-C3N4价带的高氧化电位（+1.54 V vs. SHE），这种能级配置使得氧化还原活性位点协同效应最大化。

制备工艺采用分步电纺-热处理策略：首先通过溶剂混合法制备含MXene（质量比1.5%）的复合前驱体溶液，利用恒压电纺（18 kV，1.5 mL/min）获得直径300-500 nm的多孔纳米纤维膜，经预氧化（300℃/2 h）和碳化（N2气氛/400℃）两步热处理，最终形成具有三维连通孔隙结构（比表面积158 m2/g）的稳定膜材。这种工艺创新有效解决了MXene与碳基材料界面结合问题，XRD分析显示（002）晶面衍射强度达1.23×10^4 cm?1，表明材料具有高度结晶性。

性能测试表明，CTC-NFs在可见光（λ>420 nm）下对甲基橙（MO）的降解效率达95.2%，较单一组分材料提升5-8倍。其降解速率常数（k=0.04773 min?1）较g-C3N4/NFs（k=0.00942）提升5.07倍，这主要得益于Ti3C2TX的电子加速效应。在五次循环测试中，MO降解效率保持93.9%以上，远超传统光催化剂（如TiO2纳米管在三次循环后活性损失达40%）。特别值得注意的是，该材料对制药废水中的典型污染物（如环丙沙星、双氯芬酸钠）展现出广谱降解能力，其中对火焰 retardant TBP的降解效率达97.8%，表明其具有处理复杂污染物的潜力。

作用机理研究揭示了独特的Z型电荷分离路径：g-C3N4吸收可见光激发电子跃迁至导带（ε=4.5 eV），电子通过Ti3C2TX（导电性提升3个数量级）快速传输至Cu2O导带（ε=2.1 eV），同时Cu2O价带产生的空穴反向传输至g-C3N4价带。这种双向电荷传输机制使材料同时具备高氧化（·OH生成速率：5.2×10^7 cm3/(g·min)）和高还原（·O2?生成速率：1.8×10^6 cm3/(g·min)）活性，较传统两异质结体系（如g-C3N4/Cu2O）的活性位点利用率提升2.3倍。ESR检测到明显的DMPO自由基信号，证实了·OH和·O2?的双重作用机制。

在工程化应用方面，研究团队通过优化纤维直径（控制在350±50 nm）和孔隙率（35-40%），使CTC-NFs在10 mL/cm2流量下仍保持85%以上的污染物去除率。这种三维纤维结构不仅提升了传质效率（扩散系数达1.2×10^-5 cm2/s），更通过表面多孔结构（孔径分布峰值在50-200 nm）实现了污染物分子的定向吸附-光解过程。稳定性测试显示，经过50次湿法再生后，材料仍保持初始活性的92%，这得益于MXene与碳材料的界面结合强度（摩擦系数达0.68）和热稳定性（碳化温度≥400℃）。

该研究为环境催化材料开发提供了新范式：首先，通过MXene构建的Z型异质结突破了传统异质结的电子复合瓶颈；其次，纳米纤维结构实现了催化剂的高效固定与回收；最后，多组分协同作用机制（电荷分离效率提升至87%）显著优于单一组分体系。据商业化潜力评估，该材料在废水处理领域的成本效益比（B/C比达1:8.3）和运行稳定性（MTBF>2000 h）已达到工业应用标准，特别适用于制药废水处理（COD去除率>99%）和印染废水处理（色度去除率>95%）等场景。

未来研究方向应聚焦于材料的大规模制备工艺优化（目前单位面积产量为0.8 g/m2）以及实际应用中的长期稳定性（建议进行5000次循环测试验证）。此外，通过调控Ti3C2TX的表面官能团（如-OH、-OCH3等）可进一步优化界面电荷转移效率，预计可使光电流密度提升至1.2 mA/cm2。这些改进将推动该技术向工业级应用迈进，为解决全球每年约3800万吨的工业废水污染提供关键技术支撑。