《Materials Science and Engineering: R: Reports》：Two-dimensional materials for comprehensive environmental remediation: From water purification to carbon capture
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二维材料在环境污染治理中的应用及机制研究，涵盖水净化、空气过滤、微塑料去除和碳捕获，分析其合成、功能化及结构-性能-功能关系，提出实验室到实际应用的挑战与机遇。
阿姆娜·阿赫桑（Amna Ahsan）|阿姆贾德·阿里（Amjad Ali）|纳西尔·阿里（Nasir Ali）|伊鲁姆·沙欣（Irum Shaheen）|耶日·博岑塔（Jerzy Bodzenta）|马切伊·克日维茨基（Maciej Krzywiecki）|张舒（Shu Zhang）|巴拉尔·优素福（Balal Yousuf）|塔贾马尔·侯赛因（Tajamal Hussain）|库拉姆·谢赫扎德（Khurram Shehzad）
巴基斯坦拉合尔旁遮普大学化学学院，邮编54590
摘要
传统材料的重大局限性——低选择性和低容量——阻碍了应对日益严重的全球污染的进展。二维（2D）材料应运而生，这类材料以其原子厚度、超高的表面积和高度可调的表面化学性质为特征。本文首次对2D材料进行了全面分析，涵盖了从水和空气净化到微塑料去除及碳捕获等各个领域。我们系统评估了多种2D材料的合成和功能化方法，包括石墨烯（graphene）、MXenes、层状双氢氧化物（LDHs）和共价有机框架（COFs），以及它们的先进应用。研究结果表明，这些材料作为工程吸附剂、高效光催化剂和选择性膜具有卓越的性能，为跨环境的应用提供了统一的视角。本文的核心在于阐明结构-性质-功能之间的关系，强调表面工程和混合架构设计如何带来突破性的性能提升。最后，我们将研究从基础理论延伸到实际应用，指出了将这些多功能技术从实验室规模推广到实际应用的关键挑战和机遇，为未来的研究和政策制定提供了清晰的路线图。
引言
工业化和城市化的加速发展极大地加剧了环境污染，对人类健康、生态系统和全球气候稳定构成了日益严重的威胁。根据世界卫生组织（WHO）的数据，超过90%的人口生活在空气质量超出安全标准的地区，这每年导致约700万人过早死亡[1]。空气污染由多种有害气体组成，包括二氧化氮（NO?）、二氧化硫（SO?）、甲烷（CH?）、一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO?）等；当这些气体浓度超过推荐暴露限值时，会引发酸雨、富营养化、呼吸系统疾病和气候变化等问题。同时，水污染也成为了一个重大的公共卫生问题，其根源包括未经控制的工业排放、含有化肥和农药的农业径流，以及有机和无机毒素进入水生系统。据估计，有22亿人无法获得安全的饮用水，每年约有140万人因水源性疾病和重金属污染而死亡[2]。主要污染物包括重金属、持久性染料、药物残留物和微生物病原体，这些都对水质和卫生安全构成威胁。此外，微塑料在陆地和海洋生态系统中的积累也成为一个严重问题[3]、[4]。这些微粒不仅污染了食物和水源，还通过长期的生态破坏威胁生物多样性。与此同时，大气中二氧化碳（CO?）水平的上升已成为气候变化的主要驱动力，因此迫切需要可扩展且高效的碳捕获技术[5]、[6]。总之，空气、水、塑料和碳污染这些相互关联的危机需要创新材料和可持续策略来应对。
传统材料和用于污染物去除的技术——如活性炭[7]、离子交换树脂[8]、沸石[9]、金属有机框架（MOFs）[11]、催化/氧化材料[12]、生物过滤介质[13]、混凝剂和絮凝剂[14]等——在去除污染物方面取得了一定程度的成功。然而，这些材料存在吸附容量低、选择性差、结构不稳定和可扩展性不足等局限性，限制了其广泛应用。纳米材料作为一种变革性的解决方案，在环境修复方面表现出无与伦比的效率[17]、[18]、[19]、[20]、[21]。它们的优异性能源于两个关键特性：（1）极高的表面积与体积比，可最大化污染物与材料的相互作用；（2）丰富的活性表面位点，可加速化学反应。这些特性协同作用，使得纳米材料在吸附、催化降解和离子交换方面比传统材料更高效[17]、[18]、[19]。在纳米材料中，二维（2D）材料是一类高性能平台[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]。如图1所示，2D材料在污染物去除能力上优于传统方法，使其成为可持续修复的理想选择。2D材料具有原子或分子厚度、高表面积与体积比、独特的表面化学性质以及出色的物理化学可调性[29]、[30]、[31]、[32]，使其适用于通过吸附、光催化、膜分离和氧化还原反应等多种方式处理污染物。已开发出多种2D材料，包括石墨烯及其衍生物、过渡金属硫属化合物（TMDs）、六方氮化硼（h-BN）、层状双氢氧化物（LDHs）、MXenes和共价有机框架（COFs），用于去除重金属[33]、[34]、[35]、[36]、染料[37]、[38]、药品[11]、[39]、[40]、[41]、水中的微塑料[42]、[43]、[44]，以及选择性分离有毒气体[45]、[46]、[47]，并通过物理吸附、化学吸附或催化转化捕获或转化二氧化碳[46]、[48]、[49]、[50]。此外，2D材料还可以与聚合物[51]、[52]、纳米材料[53]、[54]、[55]进行功能化，或集成到膜中[56]、[57]，从而进一步拓宽其实际应用范围。
尽管已有大量研究探讨了2D材料在环境修复中的应用，但现有文献仍然分散且领域特定，部分研究内容见表1[58]、[59]、[60]、[61]、[62]、[63]、[64]、[65]、[66]、[67]、[68]、[69]、[70]、[71]、[72]、[73]、[74]、[75]、[76]、[77]、[78]、[79]、[80]、[81]、[82]、[83]、[84]、[85]、[86]、[87]、[88]。早期研究主要集中在单一材料类别（如g-C?N?或石墨烯）上，研究范围局限于光催化或与能源相关的水净化。还有一些研究专注于特定环境目标（如重金属吸附、药物或抗生素去除、室内空气检测），但没有整合多领域的修复策略。针对MXenes和TMDs的综述虽然提高了对其各自材料家族的理解，但缺乏在统一机制或功能框架下的跨比较分析。此外，大多数研究仅强调单一的修复机制（如光催化、吸附或膜分离），而忽视了电化学、吸附和催化途径之间的协同作用，而这对于实际环境系统至关重要。即便是最近的综合性综述[69]、[71]、[73]、[76]，也大多局限于单一材料，很少涉及空气、土壤或碳捕获的全面应用。因此，尽管取得了显著进展，但目前仍缺乏一个系统性的、综合性的框架，将不同类型的2D材料（石墨烯、MXenes、TMDs、LDHs、COFs等）与所有主要污染物去除领域联系起来。本文旨在填补这一空白，提供一个跨领域、基于机制和可持续性的2D材料综述，以促进环境修复技术的全面发展。综述首先专门讨论了旨在提高2D材料环境性能的合成和功能化策略，随后探讨了它们在去除无机和有机水污染物、海水淡化、有毒气体吸附和碳捕获以及微塑料去除中的应用。在可能的情况下，每项应用都结合了2D材料的结构-性质-功能关系，为未来的污染控制研究提供了明确的方向。
2.1. 液相剥离（LPE）
液相剥离（LPE）是一种广泛采用、可扩展且成本效益高的方法，可用于大量生产二维（2D）材料[90]，特别适用于水净化、污染物吸附和降解、气体分离、碳捕获和海水淡化等环境应用。该过程涉及将层状材料分散在合适的溶剂中，并施加外部能量（通常为超声波或剪切力）。
2D材料在废水处理中的应用
近几十年来，工业化和人口指数的快速增长使得全球，尤其是发展中国家，面临日益严重的水污染问题[195]。水污染物可分为有机污染物和无机污染物。无机污染物主要包括有毒重金属、稀土金属和放射性金属，以及氟化物、磷酸盐、硫酸盐等非金属无机化合物。
2D材料在空气污染控制中的应用
气候变化是最紧迫的全球挑战之一，表现为全球气温上升、冰盖融化以及天气模式日益不稳定[593]、[594]。这些变化主要归因于人类活动，如化石燃料的燃烧[595]、森林砍伐、工业排放和交通运输[596]。这些活动释放了大量温室气体，尤其是二氧化碳（CO?），后者在捕获热量方面起着主导作用。
利用2D材料进行碳捕获
鉴于二氧化碳（CO?）占全球温室气体排放总量的约65%，实施碳捕获与利用（CCU）和碳捕获与封存（CCS）策略对于缓解气候变化至关重要。CCS技术包括通过预燃烧、氧燃料燃烧或后燃烧方法捕获CO?，随后进行压缩、运输和长期储存在地质储层中[652]。相比之下，CCU则侧重于直接利用CO?作为...
2D材料在微塑料去除中的应用
塑料废物在环境中会分解成微塑料（MPs；<5毫米）和纳米塑料（NPs），这已成为一个全球性的问题[694]。初步研究主要关注海洋表面的污染，但目前的研究表明，微塑料普遍存在于各种环境中，包括深海沉积物、淡水、土壤和生物系统[695]、[696]、[697]。微塑料既来自初级来源（直接制造的小颗粒），也来自...
总结
本文全面评估了2D材料（包括石墨烯及其衍生物、h-BN、MXenes、TMDCs和g-C?N?）在环境修复技术中的应用，涵盖水净化、空气过滤、微塑料去除和碳捕获等领域。与传统吸附剂和催化材料（如活性炭、离子交换树脂、沸石、MOFs和生物过滤或混凝介质）相比，2D材料通常具有更高的吸附能力...
作者贡献声明
阿姆娜·阿赫桑（Amna Ahsan）：撰写初稿、开展研究、获取资金、进行数据分析、概念构思。
阿姆贾德·阿里（Amjad Ali）：撰写初稿、数据可视化、数据分析、概念构思。
纳西尔·阿里（Nasir Ali）：撰写和编辑、撰写初稿、数据管理、概念构思。
伊鲁姆·沙欣（Irum Shaheen）：撰写和编辑、撰写初稿、数据管理。
耶日·博岑塔（Jerzy Bodzenta）：撰写和编辑、撰写初稿、数据分析。
利益冲突声明
作者声明以下可能构成潜在利益冲突的财务利益或个人关系：库拉姆·谢赫扎德（Khurram Shehzad）获得了浙江大学的资助，包括就业关系。如果还有其他作者，他们声明没有其他可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
耶日·博岑塔（Jerzy Bodzenta）和马切伊·克日维茨基（Maciej Krzywiecki）感谢西里西亚技术大学提供的资金支持（项目编号：BK-235/RIF-3/2024），以及ESPEFUM实验室（位于西里西亚技术大学物理研究所-CSE）提供的设施支持。
库拉姆·谢赫扎德博士是一位拥有超过13年研究经验的材料科学家，曾在中国的多家顶尖机构工作。他目前是波兰西里西亚技术大学的大学教授，同时也是中国浙江大学湖州研究所的首席研究员。他的研究方向是先进的光电和传感设备，包括二维材料、钙钛矿和神经形态光电学，在智能成像等领域有应用。
