综述：二维过渡金属二硫化物（TMDs）在重金属离子检测和去除中的研究进展

《Green Energy & Environment》：Transition metal dichalcogenide nanostructures: synthesis and application in detection and removal of metal ion contaminants from water

本综述系统梳理了二维过渡金属二硫化物（TMDs）在环境监测和修复领域的应用潜力。文章重点阐述了MoS2、WS2等材料的多种合成策略（如剥离法、水热法、化学气相沉积CVD），并深入探讨了其基于荧光、比色、电化学传感机制对Hg2+、Pb2+等高毒性重金属离子的高灵敏度、高选择性检测性能。同时，综述详细分析了TMDs及其复合材料（如TMDs/MXene、TMDs/碳材料）通过吸附、膜过滤、电容去离子化（CDI）等技术高效去除水中重金属离子的机理与效能，为开发新型环境功能材料提供了重要见解。

　　

二维过渡金属二硫化物（Transition Metal Dichalcogenides, TMDs），如二硫化钼（MoS₂）、二硫化钨（WS₂）等，因其独特的层状结构、高比表面积、可调的电子特性及丰富的活性位点，在环境污染物治理领域展现出巨大应用潜力。本文聚焦于TMDs材料在重金属离子检测与去除方面的研究进展。

TMDs的合成方法

高质量TMDs纳米材料的可控合成是其应用的基础。主要方法包括：

1. 1.
   剥离法：通过机械力、超声波或锂离子插层等方式将块体TMDs剥离成少层或单层纳米片。此法可较好保持晶体结构，但产率较低且层数控制精度有待提高。
2. 2.
   水热/溶剂热法：在密闭反应釜中，通过调控温度、压力、前驱体浓度等参数，实现TMDs纳米片的成核与生长。该方法操作相对简单，成本较低，易于规模化制备，并可通过对反应参数的精确调控来优化材料的结晶度、层数和形貌。
3. 3.
   化学气相沉积法（CVD）：利用气态前驱体在基底表面发生化学反应并沉积形成高质量的TMDs薄膜。该方法能实现对材料厚度、尺寸和形貌的精确控制，适合制备大面积、均匀的薄膜材料，但设备成本较高，反应条件苛刻。

此外，还有液相配体交换法、微波辅助法、模板法等新兴方法被开发用于制备特定结构和性能的TMDs材料。

TMDs在重金属离子检测中的应用

基于TMDs的传感器主要用于检测汞（Hg）、铅（Pb）、镉（Cd）、铜（Cu）、银（Ag）等重金属离子，其传感机制主要分为三类：

1. 1.
   荧光传感器：利用TMDs纳米材料（特别是量子点）的荧光特性。当重金属离子与TMDs表面结合后，可能引起荧光猝灭（Turn-off）或荧光增强（Turn-on）。其原理涉及电荷转移、能量转移或表面缺陷态的改变。例如，功能化的MoS₂量子点对Fe³⁺、Hg²⁺等离子表现出高选择性荧光响应，检测限可达纳摩尔甚至皮摩尔级别。
2. 2.
   比色传感器：利用TMDs的类过氧化物酶活性。TMDs能催化过氧化氢（H₂O₂）氧化显色底物（如TMB）产生颜色变化，而重金属离子的存在会增强或抑制该催化活性，从而导致溶液颜色或吸光度的改变，实现可视化或仪器化检测。例如，MoS₂-Au复合材料对Hg²⁺的检测表现出高灵敏度。
3. 3.
   电化学传感器：将TMDs材料修饰于电极表面，利用其高导电性和电催化活性。通过方波阳极溶出伏安法（SWASV）等技术，重金属离子在电极表面富集、还原后再氧化，产生特征电流信号，从而实现定量检测。TMDs复合材料（如与还原氧化石墨烯rGO复合）能显著提高传感器的灵敏度和稳定性。

这些传感器具有灵敏度高、选择性好、响应快等优点，但同时也面临抗复杂基质干扰能力、长期稳定性以及成本等挑战。

TMDs在重金属离子去除中的应用

TMDs及其复合材料用于去除水中的重金属离子，主要机制包括吸附、离子交换、膜分离以及电容去离子化（CDI）等。

1. 1.
   吸附法：利用TMDs的高比表面积和表面丰富的硫原子等活性位点，通过物理吸附或化学配位作用捕获重金属离子。通过调控TMDs的相结构（如1T相MoS₂比2H相具有更高的金属性和吸附活性）、引入缺陷、或与其他材料复合（如与碳材料、聚合物复合），可以显著提高吸附容量和速率。例如，1T-MoSe₂对Pb(II)的吸附容量可达945.2 mg g^-1，且能在短时间内实现高效去除。
2. 2.
   膜过滤法：将TMDs纳米片组装成薄膜，利用其层间纳米通道实现对离子的精确筛分和选择性传输。TMDs膜（如MoS₂膜）对特定离子（如Pb²⁺、Hg²⁺）表现出优异的截留性能。然而，膜污染、渗透通量与选择性之间的权衡仍是需要解决的问题。
3. 3.
   电容去离子化（CDI）：CDI是一种低能耗的海水淡化技术。TMDs作为电极材料，在电场作用下，溶液中的离子被吸附到电极材料的双电层中或发生法拉第反应（如离子插层）而被去除。TMDs材料（如VS₂、MoS₂）因其独特的层状结构有利于离子嵌入/脱嵌，显示出良好的CDI性能。通过与高导电性材料（如MXene、碳纳米管）复合，可以进一步提高CDI电极的导电性、循环稳定性和脱盐容量。例如，MoS₂@MXene、1T-MoS₂-NC等复合材料在CDI应用中表现出高盐吸附量、快吸附速率和良好的循环稳定性。

总结与展望

二维TMDs材料在重金属离子的检测与去除方面均展现出优异的性能，这主要归因于其可调的能带结构、高比表面积、丰富的表面活性位点以及良好的化学稳定性。通过材料合成方法的优化、微观结构的精准调控以及与其他功能材料的复合，可以进一步提升其检测灵敏度、选择性和去除效率。

未来的研究重点可能包括：开发绿色、高效、低成本、可规模化制备TMDs材料的新方法；深入理解TMDs与重金属离子之间的相互作用机制；设计具有多重功能集成（如检测与去除一体化）的TMDs基器件；评估TMDs材料在实际复杂水环境中的长期性能、稳定性及环境安全性。随着研究的不断深入，二维TMDs材料有望在环境监测与修复领域发挥越来越重要的作用。