综述：MXenes的光催化性能：机理、改性方法及其多功能应用

MXenes作为新型二维材料具有高导电性、大比表面积和表面官能团，在可见/紫外光驱动下的污染物降解、水制氢和二氧化碳还原中展现出高效光催化性能，其电荷分离机制与异质结构建、表面修饰密切相关，同时面临稳定性与规模化挑战，未来需结合绿色合成和理论建模推动可持续发展。

　　

普拉文·马拉里（Praveen Mallari）|B·雅各布·鲁巴辛格（B Jacob Rubasingh）|B·森迪尔库马尔（B. Sendilkumar）|R·B·吉恩·罗伯特（R B Jeen Robert）|J·H·沙齐娅·法蒂玛（J H Shazia Fathima）|M·穆图塞尔维（M Muthuselvi）|G·S·希库（G S Hikku）

印度中央邦阿马尔坎塔克（Amarkantak）英迪拉·甘地国立部落大学（Indira Gandhi National Tribal University）动物学系

摘要

最近发现的MXenes是一类新型的二维过渡金属碳化物（如Ti₃C₂）、氮化物（如Mo₂N）和碳氮化物（如Ti₃CN），由于其优异的特性（包括金属导电性、高比表面积、亲水性以及表面能够接枝官能团如–OH、–O和–F），成为极具潜力的光催化剂。本文综述了MXenes的光催化性能，包括其在可见光/紫外光下降解污染物、分解水产生氢气以及光还原二氧化碳的应用。同时分析了半导体间肖特基结（Schottky junctions）的形成、异质结构界面以及表面功能化策略对电荷分离效率和活性氧生成的影响。还介绍了MXenes与金属氧化物、石墨碳氮化物或导电聚合物的复合体系，这些复合体系提升了MXenes对可见光的吸收能力和催化活性。本文详细探讨了MXenes的表面化学性质、电荷传输特性及形态设计如何共同决定其光催化效率，强调了先进光催化剂在提供安全饮用水、减少环境污染和推动碳中和能源技术中的重要作用，并讨论了其社会影响。未来的研究方向包括绿色合成方法、理论建模和生命周期分析，以确保MXene技术的可持续应用。

引言

光催化技术是指在光催化剂存在下加速化学反应的方法，已成为解决现代环境和能源问题最重要的手段之一。随着人口增长和工业化进程的加速，有机污染物、温室气体及新兴污染物的排放量也在增加，因此迫切需要有效的治理技术和清洁能源。太阳能或人工光源驱动的光催化为降解污染物、将水（H₂O）转化为氢气（H₂）以及将二氧化碳（CO₂）转化为高价值燃料提供了绿色可持续的解决方案[1]。TiO₂、ZnO和g-C₃N₄因化学稳定性、丰富性和光学活性而被广泛研究[2]。然而，这些传统光催化剂的宽带隙限制了其对可见光的吸收，且载流子复合速度快、表面活性较低，这促使人们开发出效率更高的新型材料[3]。二维（2D）材料因具有较大的表面积、可调的电子结构以及有利于光催化活性的独特物理化学性质而受到广泛关注[4],[5],[6]。MXenes作为二维过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物家族中的研究热点，具有潜在的光催化潜力[7]。MXenes通常通过选择性蚀刻MAX相中的A层制备（其中M为早期过渡金属，A为第13或14族元素，X为碳（C）和/或氮（N）[8]，其通式为M_n+1X_nT_x，T_x代表合成过程中形成的–OH（羟基）、–O（氧基）和–F（氟基）等表面官能团）。这些暴露的官能团具有亲水性和化学反应性，使得MXenes在光催化过程中表现出优异性能。

MXenes的光催化活性基于其光吸收能力，这种能力能产生电子-空穴（e^-/ h⁺）对，并促进电荷的有效分离和迁移。与传统宽带隙半导体不同，MXenes主要表现出金属特性，尤其是Ti₃C₂T_x（研究最为广泛的MXene成员），其光电性质可通过调整成分和表面化学性质轻松调控[9],[10]。此外，MXenes具有导电性和层状结构，有助于载流子的有效传输，从而减少了复合现象[11],[12]。在复合体系中，这些特性尤为有益，因为MXenes可作为共催化剂或导电组分提升半导体光催化系统的整体性能。基于MXenes的复合材料已用于降解有机染料、药物残留物和农药[13]。在许多情况下，通过活性氧（ROS）介导的途径实现了高效降解[13]。在能源应用中，MXenes可用于光催化水分解生成氢气（H₂），或在氢气生成反应（HER）中作为电子（e^-）储存库或活性位点[14]。MXenes在光催化CO₂还原过程中也能促进电荷分离和中间产物的稳定，从而生成碳氢化合物或醇类[14]。MXenes的多功能性不仅限于降解和能源应用，还在传感、自清洁表面及光敏抗菌领域展现出应用潜力[15]。这种多功能性使其成为多功能光催化领域的理想材料。除了材料本身的特性外，异质结构形成、元素掺杂、Z型体系中的电荷传递介质、表面工程化处理以及与其他纳米材料（如TiO₂、g-C₃N₄、CdS）的复合也是提升可见光吸收和光催化性能的常用策略[16],[17]。MXenes在异质结构复合体中可作为肖特基结形成剂或界面电荷传递介质，促进电荷定向分离。例如，在MXene-半导体体系（如Ti₃C₂/g-C₃N₄或Ti₃C₂/TiO₂）中，MXene层能快速捕获和传输光诱导的电子，从而提升整体光催化活性[18]。通过合成和后处理手段还可精细调节MXenes的表面化学性质，例如通过蚀刻和剥离过程生成–OH、–F和–O等表面官能团（在Ti₃C₂T_x中表示为T_x）[19]。表面官能团的改变可调节导带（CB）和价带（VB）能量水平，以优化特定氧化还原反应的光催化性能。例如，–OH基团的存在可提高H₂O等极性分子的吸附效率，促进表面反应[20],[21]，这对光催化过程非常有利[22]。这种亲水性还使得MXenes易于分散在H₂O和其他极性溶剂（如乙醇、二甲基亚砜）中，从而增加活性位点的密度并提升反应动力学。MXenes的二维层状结构和亲水性使其便于制备成薄膜或涂层，可用于自清洁表面、柔性光电电极和膜反应器[23]。此外，MXenes可制备成稳定的胶体悬浮液，有利于开发可溶液处理的设备和可扩展的光催化系统[24]。这些多功能性使得MXenes成为构建先进光催化系统的理想材料，应用于环境治理和太阳能到燃料的转化[25]。

尽管理想的MXenes在长期使用中易氧化，但已开发出封装、表面钝化和复合等技术来稳定这些材料[26]。通过调控合成参数和表面官能团，MXenes在光催化过程中（包括紫外线照射、酸碱环境和温度变化）具有更好的稳定性。除了TiC（Ti₃C₂）外，其他MXenes如MoC（Mo₂C）、NbC（Nb₂C）和Vc（V₂C）也在光催化应用（如HER或CO₂还原）中展现出潜力[27]。然而，如何在工业规模上合成MXenes、作为光催化剂时如何稳定其性能以及其对环境的长期影响仍需进一步研究。此外，还需深入理解MXenes的组成、表面化学性质与光催化活性之间的复杂关系，以充分发挥其潜力。

本文重点介绍了MXenes作为光催化剂的应用，包括反应机制、结构修饰策略和多功能性。本文的创新之处在于全面整合了MXenes的表面化学、电荷传输机制和结构设计，强调了这些因素对光催化性能提升的协同作用。以往文献多分别讨论这些方面，而本文则将材料设计与光催化应用联系起来，特别关注稳定性、绿色合成和安全性等可持续性因素，为下一代MXene基光催化剂的发展指明了方向。文章探讨了MXenes与半导体、聚合物和多孔结构的结合方式，以改善电荷分离和光利用效率，并重点讨论了其在环境治理、水分解和CO₂还原中的应用。同时，还分析了合成、稳定性和安全性等当前挑战，提出了绿色化学、理论建模和安全设计等前景。本文可为可持续能源和环境技术领域中MXene基光催化剂的发展提供参考。

MXenes的结构和化学特性

图1展示了MXenes前体MAX相的晶体结构，这些化合物可用通式M_n+1AX_n表示。图1a–c展示了MAX相常见的堆叠序列和构型。图1a代表典型的211 MAX相（M₂AX），其单元胞由两层M原子和一层位于M原子之间的A原子组成。M原子（红色显示）与A原子（黑色显示）呈八面体配位

少层MXenes的制备

图3展示了从Ti₃AlC₂ MAX相制备少层Ti₃C₂T_x MXene的过程。首先对Ti₃AlC₂ MAX相进行蚀刻，Al原子分布在Ti-C层之间。使用40-50 wt.%的HF或其他含氟化合物（如LiF 1-2 g和HCl 6-9 M的混合物）进行蚀刻，去除Al层，从而得到多层Ti₃C₂T_x MXene，其中T_x表示

环境治理

基于MXenes的材料已成为具有多种环境和技术应用前景的多功能光催化剂（见表4）。在环境治理领域，MXene基复合材料作为高效光催化剂表现出显著效果。例如，Iravani和Varma[34]指出MXenes在多种复合体系中作为共催化剂，显著提升了光催化去除污染物的效果

挑战与限制

尽管MXenes在光催化领域具有巨大潜力，但在实际应用中仍面临诸多问题

结论

MXenes作为一种二维材料，因其优异的导电性、层状结构和反应性表面化学特性，有望成为下一代环境与能源应用的光催化剂。将其与半导体、聚合物和三维结构结合使用，有助于克服传统光催化剂的局限性

CRediT作者贡献声明

J·H·沙齐娅·法蒂玛（J H Shazia Fathima）：撰写——综述与编辑、方法学分析。M·穆图塞尔维（M Muthuselvi）：撰写——综述与编辑、可视化处理、形式分析。G·S·希库（G S Hikku）：撰写——综述与编辑、验证、项目监督。普拉文·马拉里（Praveen Mallari）：撰写——初稿。B·雅各布·鲁巴辛格（B Jacob Rubasingh）：撰写——综述与编辑、项目监督。B·森迪尔库马尔（B Sendilkumar）：撰写——综述与编辑、方法学研究。R·B·吉恩·罗伯特（R B Jeen Robert）：撰写——综述与编辑、方法学研究。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的财务利益冲突或个人关系