综述：MXenes及其复合材料在环境和能源应用中的合成、性能与前景

本综述系统阐述了MXenes及其复合材料的合成策略、理化特性和环境能源应用前景。重点探讨了MAX相前驱体的多种制备方法（如自蔓延高温合成、微波烧结）和MXenes的绿色蚀刻技术（如电化学法、熔融盐法），揭示了其独特的层状结构、可调表面终端（–OH、–O、–F）和卓越的电子导电性。文章详细分析了MXenes在污染物吸附（重金属、染料）、催化降解（高级氧化过程）、能源存储（锂离子电池、超级电容器）和电催化（HER、OER、ORR）中的机制与性能优势，并指出规模化生产、氧化稳定性和成本控制是未来突破的关键方向。

　　

MXenes的合成方法学突破

MXenes是一类具有二维层状结构的过渡金属碳化物/氮化物，其通式为M_n+1X_nT_x（M为过渡金属，X为碳或氮，T_x为表面官能团）。其合成通常以MAX相（如Ti₃AlC₂）为前驱体，通过选择性蚀刻A层（如Al）获得。主流蚀刻方法包括氢氟酸（HF）蚀刻、原位HF蚀刻（如LiF/HCl混合体系）、电化学蚀刻、熔融盐取代等。HF蚀刻虽效率高但存在安全风险和环境隐患；绿色替代方法如电化学蚀刻可在温和条件下实现Al层去除，而碘辅助蚀刻和藻类提取法进一步降低了毒性试剂的使用。

层状结构与性能调控

MXenes的层间可通过插层剂（如DMSO、TBAOH）进行扩张，从而抑制纳米片重新堆叠，增加比表面积。表面终端（–O、–OH、–F）直接影响其电学、化学和机械性能。例如，–O终端倾向于诱导半导体特性，而–F和–OH终端则可能保持金属性。其电子结构可通过应变、掺杂和外部电场进行精细调控。机械性能方面，单层MXenes的杨氏模量可达300-400 GPa，拉伸强度接近50 GPa，但多层结构易因范德华力导致堆叠，降低活性位点可及性。

环境修复中的应用机制

MXenes及其复合材料在污染物治理中展现出卓越潜力。其高比表面积和负电表面特性赋予其优异的阳离子吸附能力，如Ti₃C₂T_x对Pb²⁺的吸附容量可达453.2 mg/g。通过静电作用、离子交换和络合作用，MXenes可有效去除水体中的重金属（Cd²⁺、As³⁺）和有机染料（亚甲基蓝、罗丹明B）。在催化降解方面，MXenes可激活过硫酸盐（PMS）产生硫酸根自由基（SO₄•^?），或与半导体（如TiO₂、g-C₃N₄）构建异质结促进光生电荷分离，从而高效降解抗生素（如环丙沙星）和持久性有机物。

能源转换与存储的性能优势

在电催化领域，MXenes可用于析氢反应（HER）、析氧反应（OER）和氧还原反应（ORR）。例如，Mo₂CT_x纳米片在酸性条件下HER过电位仅为283 mV（10 mA/cm²），其性能接近铂基催化剂。MXenes的高导电性可作为载体稳定单原子催化剂（如Fe-N-C），促进四电子ORR路径。在能源存储方面，MXenes作为锂离子电池负极材料具有高理论容量（如Ti₃C₂T_x可达410 mAh/g）和优异的倍率性能。通过构建三维多孔结构（如气凝胶）或与碳纳米管复合，可有效缓解循环过程中的体积膨胀和堆叠问题。

复合材料的协同增强策略

为解决MXenes易氧化和堆叠的问题，研究者开发了多种复合材料体系。与聚合物（如PVA、PANI、PPy）复合可提高机械柔韧性和稳定性；与金属氧化物（如TiO₂、Fe₃O₄）杂交可引入磁性和催化活性；与碳材料（如石墨烯、CNT）复合可增强导电性和比表面积。例如，PVA@Ti₃C₂T_x复合材料的拉伸强度提升140%，且具备优异的电磁屏蔽性能（SE > 50 dB）。原位聚合法可确保MXenes纳米片在聚合物基质中的均匀分散，从而最大化界面协同效应。

挑战与未来展望

尽管MXenes前景广阔，但其大规模应用仍面临诸多挑战：①合成过程涉及高危试剂，绿色替代方案产率偏低；②材料在空气中易氧化降解，长期稳定性不足；③规模化生产成本高昂，从实验室到工厂的放大存在技术瓶颈。未来研究需聚焦于：开发氟化物免费蚀刻工艺、构建三维稳定结构、利用人工智能优化合成参数、开展全生命周期评估以推动环境友好型生产。在应用层面，MXenes在二氧化碳还原、太阳能燃料生成和生物医学领域的探索刚刚起步，其多功能性有望带来跨学科技术突破。