综述：探索MXene纳米材料在多功能光催化中的应用：竞争优势、挑战及未来发展方向

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Exploring MXene Nanomaterials for Multifunctional Photocatalysis: Competitiveness, Challenges, and Future Directions

光催化材料开发对解决能源与环境问题至关重要。MXenes因其高电导率、大比表面积和可调表面官能团成为理想催化剂。本文综述MXenes与半导体复合的制备策略、结构特性及在制氢、CO2还原、污染物降解等领域的应用进展，并探讨挑战与未来方向。

　　近年来，随着全球对能源的需求不断增长以及对环境污染的迫切治理需求，先进的光催化材料研究变得愈发重要。在这一背景下，MXenes作为一种二维的过渡金属碳氮化物，因其独特的物理化学性质而受到广泛关注。这些性质包括高电导率、大比表面积以及可调控的表面终止基团，使其在光催化反应中表现出优异的性能。当MXenes与半导体材料结合时，它们能够形成有效的光催化剂，主要得益于其良好的界面相互作用和Schottky异质结的构建，从而提升电荷分离效率并降低能量障碍。本文将围绕MXene支撑的光催化剂展开探讨，涵盖其合成策略、结构特征以及在氢气生成、二氧化碳还原、氮气固定和有机污染物降解等关键反应中的应用进展。文章最后将总结当前面临的挑战，并展望未来的研究方向，以期为光催化领域的进一步创新提供指导。

在这一研究领域中，MXenes被广泛用于可持续能源生产和环境净化。它们的层状结构、大比表面积、可调的表面终止基团以及优异的电子导电性，使其成为光催化体系中不可或缺的组成部分。MXenes的这些独特性质，使其在提升半导体基光催化性能方面展现出巨大潜力。与传统半导体相比，MXenes能够有效减少电荷复合，并通过其金属特性直接参与催化反应，从而在光催化过程中发挥关键作用。此外，MXenes的组成可调性和表面功能化能力，使其在调控能带排列和界面电荷动力学方面具有广泛的前景。它们的资源丰富性也使其成为一种相对经济且环境友好的共催化剂，相较于贵金属共催化剂更具应用优势。

MXenes的命名来源于其通过选择性蚀刻MAX相和层状化合物中的“A层”（如Al、Si或Ga）所形成的二维薄层结构。MAX相的通式为M_n+1AX_n，其中M代表早期过渡金属，A代表III A或IVA族元素，X代表碳和氮。通过化学选择性蚀刻，可以诱导形成二维薄层结构，从而获得MXenes材料。这类材料通常被表示为M_n+1X_nT_x，或简化为M_1.33XT_x，其中n的取值范围为1到4，T_x代表表面终止基团。MXenes的表面终止基团可以是单个或多个，这些基团通常被功能化为–O、–OH、–NH₂、–F、–Cl、–Br、–S、–Se和–Te等配体，具体取决于其合成方法和化学组成。通过后续的表面修饰，可以精细调控MXenes的结构、电子和化学特性，从而优化其在光催化体系中的表现。

MXenes的合成方法主要包括自下而上和自上而下的两种途径。然而，在实际应用中，这些方法往往只能生成多层薄膜，而难以获得单层结构。例如，通过化学气相沉积（CVD）方法制备Mo₂C薄膜时，通常得到的是至少六层的结构，未能实现单层MXenes的制备。因此，需要进一步研究和改进合成工艺，以实现更高质量的MXenes材料。此外，MXenes的表面终止基团可以通过不同的化学处理进行调整，以增强其在光催化体系中的性能。例如，通过引入–OH或–F基团，可以改善MXenes的水分散性和表面活性，从而提高其在光催化反应中的效率。

MXenes的物理化学性质使其在光催化反应中表现出独特的性能。它们的电子结构由金属（M）和碳/氮（X）元素以及表面终止基团共同决定。完美MXenes，如具有金属导电性的Ti_n+1X_n，通常不具备光活性，因为它们无法吸收光子，从而无法被激发至激发态。然而，通过表面功能化，可以调控其电子带结构，使其对低能量电子具有更高的敏感性，从而形成驱动且交互性强的光催化体系。在理论上，MXenes的能隙开启动态已被预测，但在实验上，实现具有半导体特性的MXenes仍是一个重大挑战。此外，MXenes的工作函数也是一个关键变量，它决定了电子捕获能力，并可通过调整M、X和终止基团进行调控。

由于MXenes的光吸收能力相对较弱，它们通常被用作共催化剂，而不是主要的光催化剂。在光催化过程中，涉及的关键步骤包括光吸收、电荷分离、电荷迁移、界面电荷转移以及表面反应。这些步骤对于实现最佳性能至关重要。因此，提升这些阶段是提高光催化效率的必要条件。MXenes在许多光催化体系中表现出多种共催化剂的功能，能够有效增强光诱导电荷载体的分离和迁移，这成为限制其更高效率的关键问题。此外，MXenes还可以作为电子受体，以促进其表面的电子驱动半反应。它们的多样组成和表面功能化能力，使其能够影响反应物的吸附并改变反应路径。

半导体颗粒的尺寸在光催化反应中也起着重要作用，影响其表面活性位点的数量、电荷载体的迁移以及与反应物的相互作用面积。然而，纳米颗粒由于较高的表面能，常常发生聚集，从而降低其性能。MXenes的高比表面积使其能够有效作为支撑材料，抑制纳米尺寸半导体的聚集，并减小颗粒尺寸，从而提高整体效率。MXenes的这些特性使其在光催化体系中具有独特的优势，不仅能够增强光催化性能，还能提升材料的稳定性和可持续性。

在实际应用中，MXenes的维度特性对光催化性能产生显著影响。根据其形态，MXenes可以分为0D（量子点）、1D（纳米带、纳米线和纳米管）、2D（纳米片、纳米板和纳米网）以及3D（球形、泡沫和块状结构）。不同维度的MXenes在光催化反应中的表现各异，其中0D到3D结构的差异会影响其电子特性、光吸收能力和表面反应活性。因此，针对不同维度的MXenes，需要采用不同的合成方法和改性策略，以优化其在光催化体系中的性能。与以往的综述文章相比，本文不仅关注MXene基光催化剂的合成方法，还强调其维度依赖性特征（0D-3D），并结合近年来的DFT研究，深入探讨其在光催化反应中的机制。此外，本文还强调了实际应用中的关键因素，包括可扩展性、环境稳定性以及工业集成的可能性。

MXenes在光催化反应中的应用主要集中在有机污染物降解、水裂解（包括光催化和光电化学过程）以及二氧化碳还原等方面。这些反应对于解决环境和能源问题具有重要意义。例如，MXene量子点已被用于构建全固态直接Z型光催化剂，以提升光催化效率。在实际应用中，MXenes的高比表面积和优异的电子导电性使其能够有效促进光催化反应的进行，提高反应物的吸附能力和反应路径的调控能力。此外，MXenes的水分散性和生物相容性也使其在环境治理和可持续能源生产中具有广泛的应用前景。

综上所述，MXene基异质结在光催化反应中表现出显著的性能提升，主要体现在增强光吸收、加速电荷转移以及提供更大的反应活性位点。这些特性使得MXene基光催化剂在光催化体系中具有更高的效率和稳定性。同时，MXenes的维度特性、表面功能化能力和组成可调性，使其在光催化反应中展现出独特的潜力。未来的研究方向将集中在如何进一步优化MXene基光催化剂的合成方法、改性策略以及实际应用。通过深入研究MXenes的物理化学性质及其在光催化反应中的作用机制，有望推动其在可持续能源生产和环境治理中的广泛应用。此外，还需要关注如何提高MXenes的稳定性、减少其在光催化过程中的损耗，并探索其在工业生产中的可行性和经济性。这些研究将为光催化领域的进一步发展提供重要支持。