综述：二维材料（石墨烯、g-C?N?和MXene）在提升光催化性能中的作用：综述

《Inorganic Chemistry Communications》：The role of two-dimensional materials (graphene, g-C?N?, and MXene) in enhancing photocatalytic performance: a review

二维材料光催化应用及增强机制研究综述

　　
光催化技术作为解决能源转换与环境治理难题的重要手段，近年来在二维材料应用领域取得了显著突破。本文系统梳理了石墨烯、g-C?N?和MXene三类二维材料在光催化体系中的协同增效机制，为新型催化剂开发提供了理论框架。研究显示，传统光催化剂如TiO?和ZnO存在三大核心瓶颈：紫外光吸收范围狭窄（仅覆盖3-5%太阳光谱）、光生载流子复合率高（实验室条件下通常超过60%）、表面活性位点密度不足（每克催化剂仅含约10?个活性位点）。而二维材料通过结构重构与电子调控，成功将光催化效率提升至工业实用水平。

在材料筛选方面，石墨烯凭借其独特的二维晶格结构和亚猎电子能带特性（位于-4.5至-5.5eV区间），能够形成电子传输通道，将传统催化剂的载流子寿命从微秒级提升至毫秒级。实验数据显示，石墨烯修饰后的TiO?光电流密度提升达3.2倍，电荷分离效率从45%跃升至82%。这种增强效应源于石墨烯表面丰富的缺陷态（密度达101? cm?2）与TiO?导带形成能级差（ΔE=0.28eV），有效促进电子-空穴对分离。

g-C?N?作为典型二维半导体，其独特的蜂窝状六方晶格（晶格常数a=2.86nm）与宽禁带（2.7eV）特性使其在可见光催化领域表现突出。通过表面工程调控，例如引入金属有机框架（MOFs）或碳纳米管，其可见光吸收率可从初始的15%提升至78%。值得注意的是，g-C?N?与过渡金属氧化物形成的异质结（如Fe?O?/g-C?N?）能产生强激子-电子耦合效应，使有机污染物降解速率常数k达0.45 min?1（纯g-C?N?为0.12 min?1）。

MXenes作为新兴二维过渡金属碳/氮化物，其可调控的表面官能团（如Ti?C?Tx中含15%的F或OH基团）赋予其优异的表面活性和环境适应性。实验表明，Ti?C?Tx/g-C?N?异质结在降解抗生素环丙沙星（CIP）时，表面羟基（-OH）浓度增加3倍，活性氧（ROS）产率提升至每分子光子产生5.8个ROS自由基。这种协同效应源于MXenes与g-C?N?的能带错配（ΔE=0.5-0.8eV），形成高效电子传递通道。

在结构设计层面，研究揭示了二维材料的三重增效机制：首先通过纳米限域效应（厚度<5nm时载流子迁移率提升2-3个数量级）缩短电子扩散路径，其次利用表面缺陷态（密度>101? cm?2）作为光生载流子陷阱，最后通过异质界面工程（接触面积>80%）实现跨材料电荷转移。特别值得注意的是，当二维材料层间距控制在1-2nm时，界面电子转移效率可达95%以上，显著高于常规3D材料的60%-70%。

实际应用案例显示，rGO-250/g-C?N?/MXene三联异质结构对罗丹明B的降解效率达到98.7%，远超单一组分（g-C?N?降解率仅41.2%）。这种复合体系通过构建"电荷收集层（rGO）-电子传输层（MXene）-催化反应层（g-C?N?）"的三级架构，实现了光生载流子从初始激发（寿命<100ns）到最终反应（寿命>103s）的完整调控链条。

当前研究面临三大核心挑战：材料合成可控性（批次间性能差异>30%）、长期稳定性（200小时光降解后活性下降>40%）、规模化制备成本（当前MXene制备成本达$500/kg）。最新研究提出采用溶液法辅助热解技术，通过预官能化处理可将MXene批次一致性提升至±5%，同时降低制备温度至800℃以下，使规模化生产成本下降至$120/kg。

在性能优化策略方面，研究团队开发了"三明治夹层"结构设计：上层为MXene（厚度2nm，载流子迁移率1.2×10? cm2/V·s），中间层为功能化石墨烯（含3%磺酸基团），底层为g-C?N?异质结构。这种设计使电子从MXene导带（费米能级-4.3eV）快速传输至g-C?N?导带（-4.5eV），形成0.2eV的能带差，同时通过磺酸基团（-SO?H）引入的质子化位点（pH=7时pKa=4.2）显著提升表面反应活性。

环境效益评估显示，采用二维材料复合催化剂处理含 pharmaceuticals（如环丙沙星）废水时，不仅实现100%降解率（48小时），更不会产生传统光催化工艺中15%-30%的二次污染物生成。这种绿色特性源于二维材料表面丰富的活性位点（每平方厘米达10?个）与优异的表面扩散特性（扩散系数提升至1.2×10?? cm2/s）。

未来发展方向聚焦于原子级精准设计：通过密度泛函理论计算（DFT）指导的界面工程，在MXene与g-C?N?界面引入过渡金属（如Mo）形成肖特基结，可使载流子寿命延长至103s量级。同时，开发基于二维材料的"光催化-电催化"联用系统，通过异质结（如TiO?/g-C?N?/Ti?C?Tx）实现双极性电荷传输，已在降解抗生素与同步产氢方面取得突破性进展（产氢速率达5.8mmol/g·h）。

该研究为新一代光催化材料的开发提供了重要启示：二维材料通过结构调控（层间距<2nm）、电子工程（能带错配0.3-0.8eV）和表面功能化（活性位点密度>10? cm?2）的三重协同，可将传统催化剂的光电流密度从0.15mA/cm2提升至2.3mA/cm2，同时将电荷分离效率从45%提升至89%。这些突破性进展标志着光催化技术正从实验室走向产业化应用，为解决全球性的水污染和能源危机问题提供了新路径。