《Inorganic Chemistry Communications》：Tailored TiO
2@Ta
2CT
x MXene nanohybrid as bifunctional catalyst for photochemical and electrochemical degradation of Congo red
编辑推荐：
TiO2@Ta2CTx MXene复合材料通过LiF/HCl蚀刻法制备，光催化降解刚果红（CR）效率达81.3%，电催化效率高达99.1%。结构表征显示TiO2与Ta2CTx MXene界面作用增强电导率和比表面积，动力学研究显示其速率常数最高为0.353 min?1，适用于环境污染治理。
Aathilingam Vijayaprabhakaran | Iyyathurai Vigneshwar | Beni Benjamin | Murugavel Kathiresan
电有机与材料电化学部门，CSIR-中央电化学研究所，Karaikudi 630 003，泰米尔纳德邦，印度
摘要
在这项工作中，我们提出了一种简单且环保的方法来制备一种双功能TiO2@Ta2CTx MXene纳米复合材料，用于高效光催化和电化学降解刚果红（CR）染料。在对合成的纳米复合材料进行详细的结构和形态表征后，对其光催化和电催化性能进行了全面研究，以降解CR。TiO2@Ta2CTx MXene纳米复合材料被用作光催化降解测试中的光催化剂以及电化学降解实验中的阳极。光催化和电催化实验分别显示出81.3%和99.1%的最大降解效率。该纳米复合材料的优异性能归因于TiO2与Ta2CTx MXene之间的适应性相互作用，这种相互作用提高了材料的导电性和表面积。此外，还进行了动力学研究以确定降解过程的速率常数和活化能。TiO2@Ta2CTx MXene纳米复合材料表现出最高的速率常数0.353 min?1，表明其具有最高的电催化活性。在电化学研究中，系统地探讨了各种操作参数（如支持电解质类型、pH值、电流密度和染料浓度）对降解效率的影响。总体而言，TiO2@Ta2CTx MXene纳米复合材料在光催化和电化学应用方面展现出出色的潜力，使其成为环境修复的理想候选材料。
引言
合成染料在各个行业的广泛使用引发了严重的环境问题，因为它们具有复杂的分子结构、持久性和毒性。[1] 尽管这些合成染料具有某些优点，但由于其对自然降解过程的强抵抗力，它们对环境构成了严重威胁。[2] 因此，大量染料通常残留在工业废水中，导致严重的水污染和相关的生态危害。偶氮染料含有一个或多个偶氮键（–N=N–），连接芳香族或脂肪族基团，占所有工业染料的近50%。[3],[4] 这些染料的一般结构可以表示为R-N=N-R′，其中R和R′表示芳基或烷基基团（例如甲基橙（MO）和刚果红（CR））。偶氮键和芳香环的高稳定性提高了它们的性能，但也导致了低生物降解性和潜在的环境毒性。[5] 在这些染料中，CR是一种合成的有毒阴离子染料，具有偶氮基和对称的芳香结构。由于其优异的光稳定性、生物降解性和良好的热稳定性，它被广泛应用于多种领域。然而，CR由于其致突变性和致癌性以及对人类健康的影响（如呼吸系统疾病、皮肤刺激和过敏反应），对水生生物和人类健康构成了严重风险。其浓度经常超过世界卫生组织（WHO）推荐的0.01 mg/L限值。[6] 因此，开发有效的处理策略以去除或分解工业废水中的偶氮染料对于支持环境保护和可持续工业实践至关重要。[7],[8] TiO2是一种基准光催化剂，因其出色的稳定性、低毒性和天然丰富性而受到重视。自1972年Fujishima及其同事首次证明TiO2的光催化降解能力以来，许多金属氧化物和基于氧化物的材料已被探索用于染料降解应用。[9],[10],[11] 然而，TiO2的宽带隙限制了其对可见光区域的吸收，仅能吸收太阳光谱的约4%。在阳极条件下，TiO2表现出强烈的氧化行为，生成活性氧物种（如羟基自由基），能够有效降解顽固的染料，包括偶氮化合物，显示出处理含染料工业废水的潜力。[12],[13],[14],[15]
MXenes是一种从MAX相衍生的二维材料，具有优异的物理化学性质、高导电性、可调的表面功能性和化学稳定性，这得益于其层状过渡金属结构，使得电子传输更加高效。[16] 这些优异的物理化学性质使MXenes成为各种化学、光化学和电化学应用的理想选择，包括有机污染物还原[17]、能量存储[18]、CO2还原[19]、水分解[21]和光催化染料降解[22]应用。[23] 特别是含Ta的MXenes比含Ti的MXenes具有更高的介电常数，有利于改善电荷分离并减少电子-空穴复合，从而提高了它们的光催化和电催化性能。因此，基于Ta的MXenes特别适用于太阳能驱动的氧化和环境修复技术。[24] 最近的研究探索了各种基于MXene的复合材料，如La和Mn掺杂的BiFe/Ti3C2、AgNPs/TiO2/Ti3C2x和BiOCl/Ti3C2 MXene系统，它们在紫外光或太阳光下表现出优异的光催化染料降解（罗丹明B（RhB）、亚甲蓝（MB）活性，这归因于带隙的改善、形态控制以及电荷复合的抑制。[22],[25],[26] 多年来，研究人员开发了多种催化剂来利用摩擦、电和光催化方法对抗染料污染。例如，Lin等人发现，当添加少量钽（Ta）时，四方钨青铜型氧化物KSr2Nb5-xTaxO15（KSNT）（x=1）显著提高了摩擦催化效率；然而，随着Ta含量的增加，带隙显著增加，导致材料的电子转移能力下降，从而降低了性能。[27] 在电催化领域，Khadija及其同事报告使用PANI/TiO2纳米复合材料在最佳条件下电化学降解CR，化学需氧量（COD）去除率超过92%。[28] 同样，Wang等人使用Ti4O7作为阳极材料进行甲基橙（MO）的电化学氧化，MO在大约2小时内被降解，COD去除率为91.7%。[29] Wei及其同事最近报道使用Ti/PbO2-Ce-4-SDBS-40复合催化剂进行RhB的电催化氧化降解，该催化剂表现出优异的效率和稳定性，220分钟后COD去除率达到约88.0%。[30] Qiao等人制备了Ti/SnO2+Sb2O3/PbO2复合材料，并将其用于电化学偶氮染料降解，减少了22.10%的能耗。[31] 光催化作为一种环保和可持续的废水处理方法最近受到了广泛关注。尽管TiO2是一种著名的光催化剂，但关于其与MXenes（尤其是Ta2CTx）协同作用的研究很少。[25],[32] 据我们所知，TiO2及其新型复合材料TiO2@Ta2CTx MXene对CR染料的光催化降解性能尚未被探索。在这里，我们报道了使用简单的湿化学方法制备TiO2@Ta2CTx MXene复合材料。与Ta2CTx MXene、MAX相和TiO2纳米材料相比，所得复合材料在光催化和电催化降解CR方面表现出显著提升的性能。
所用材料
Ta2AlC MAX相粉末购自Haryana的Nano Research Elements。氟化锂（LiF）、盐酸（HCl）、聚偏二氟乙烯（PVDF）和N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）购自Sigma-Aldrich，刚果红购自TCI化学品。所有化学品均为分析级，无需额外纯化即可使用。在整个合成过程中使用了双蒸水。
TiO2@Ta2CTx MXene复合材料的合成
Ta2CTx MXene和TiO2@Ta2CTx MXene复合材料是基于...
结果与讨论
制备材料的拉曼光谱证实了合成的成功，即Al层的刻蚀和复合材料的形成（图2a）。Ta2CTx MXene显示出宽峰，对应于A1g（ω2, ω3）和E1g（ω5）振动模式，而TiO2的加入引入了额外的振动带，位于约639 cm?1（Eg）、511.6 cm?1（A1g）、397.2 cm?1（B1g），表明TiO2和Ta2CTx之间存在强烈的界面相互作用。[20],[35] 观察到的红移和带宽增加...
结论
通过LiF/HCl刻蚀方法成功合成了一种新型的TiO2掺杂（TiO2@Ta2CTx MXene）复合材料。改性复合材料及其原始前体材料被测试为稳定且高效的双功能电催化剂，其中TiO2@Ta2CTx/SS MX复合材料表现出比其单独组分TiO2和Ta2CTx MXene显著增强的光催化和电催化性能。
Aathilingam Vijayaprabhakaran的作者贡献声明
Aathilingam Vijayaprabhakaran： 撰写 – 原稿撰写、研究、数据分析。
Iyyathurai Vigneshwar： 方法论设计、研究、数据管理。
Beni Benjamin： 方法论设计、研究、数据管理。
Murugavel Kathiresan： 撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、项目管理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
作者感谢CSIR-CECRI的主任和工作人员的持续支持和鼓励。同时感谢CSIR-CECRI的中央仪器设施部门提供的表征设备。Dr. M. K.感谢CSIR（IHP002403）的财政支持。CSIR-CECRI手稿编号：CECRI/PESVC/Pubs./2025-111。
Aathilingam Vijayaprabhakaran 获得了Thoothukudi的Kamaraj College（隶属于Tirunelveli的Manonmaniam Sundaranar University）的化学学士学位（2014年），以及Trichy的St. Joseph's College（隶属于Bharathidasan University）的硕士学位（2017年），还获得了Sathur的Sri Vatsa College of Education的物理科学教育学士学位（2015年）。他目前在CSIR-Central的Dr. M. Kathiresan指导下攻读博士学位。
