综述：二维过渡金属碳化物和氮化物（MXenes）在环境修复中的应用：通往更清洁、更安全环境的潜在有效途径

本文聚焦二维过渡金属碳化物和氮化物（MXenes）在环境修复领域的应用。阐述其独特理化性质，如可调节表面化学、高吸附容量等，在去除有机和无机污染物方面成果显著。同时分析面临的挑战，为后续研究和实际应用提供方向，极具参考价值。

　　

1. 引言

全球工业化的快速发展对环境造成了严重污染，开发有效的环境修复材料迫在眉睫。二维（2D）纳米材料因具有大表面积、平面结构等特性，在环境修复领域备受关注。MXenes 作为 2D 材料家族的新成员，其化学通式为 M_{n + 1}X_nT_x，具有独特的表面化学性质、可定制的表面化学和高导电性等优势，在环境修复方面展现出巨大潜力。本文旨在探讨 MXenes 在环境修复中的应用、挑战及未来发展方向。

2. 可持续的合成方法

传统的 MXenes 合成方法主要是在室温下使用氢氟酸（HF）溶液选择性蚀刻三元 MAX 相以去除 Al 原子层，但该方法存在环境和安全风险。目前，研究人员正在探索更绿色的合成方法，如使用氟化铵（NH₄HF₂）替代 HF，或采用 HCl 和 LiF 原位生成 HF 的方法（MILD 法），这些方法可减少 MXene 的缺陷。此外，利用能量基碎片化的方法，如超声或声波产生的空化能量、表面声波（SAWs）以及涡旋流体装置（VFD）等，也为 MXene 的分层提供了新途径。同时，以白蛋白辅助分层结合级联离心、绿藻提取物分层等绿色方法，以及利用低成本前驱体制备 MAX 相的策略，都在推动 MXenes 合成向可持续方向发展。

3. 表面活性 / 功能

MXenes 具有卓越的表面活性，其表面零电荷点（PZCs）在 2 - 3 之间，表面呈负电荷。这一特性使其在不同 pH 条件下对阳离子和阴离子染料具有不同的吸附能力，通过制备复合材料或表面修饰可进一步提高吸附效果。MXenes 表面常见的化学官能团（–OH、–F、–O）影响其吸附和催化性能，例如，–O 和–OH 基团比–F 基团更有利于吸附，且多数化学蚀刻形成的 MXenes 表面以 O 或 OH 基团为主。此外，MXenes 还具有良好的催化特性，能吸收光并快速转移电荷载流子，产生活性氧物种（ROS），在芬顿过程、光催化等领域有重要应用。

4. MXenes 对污染物的吸附修复及其最新进展

4.1 重金属离子的吸附

重金属离子（如 Pb²⁺、Cr⁶⁺等）对人类和其他生物具有极大毒性，吸附是去除重金属离子的有效方法。MXenes 可通过化学和静电相互作用吸附金属离子，对多种重金属离子（如 Pb²⁺、Cr⁶⁺、Cu²⁺等）具有较高的吸附容量和选择性。例如，Ti₃C₂(OH/ONa)_xF_{2 - x}对 Pb²⁺的吸附容量可达 140 mg g^?1，Ti₃C₂T_x对 Cr⁶⁺的吸附容量高达 250 mg g^?1。此外，MXenes 还可用于检测微量重金属离子，如修饰后的玻碳电极对 Pb²⁺、Cd²⁺等具有高灵敏度的电化学响应。

4.2 有机染料的吸附

有机染料是水体中的重要污染物，难以生物降解。MXenes 对阳离子染料（如亚甲基蓝）的吸附能力强于阴离子染料（如酸性蓝 80），主要通过静电相互作用实现吸附。通过扩大 MXene 的层间距（如用 LiOH 或 NaOH 处理）可提高其对染料的吸附能力，半导体 / MXene 纳米复合材料（如 TiO₂/Ti₃C₂）在光催化降解染料方面表现出色，能有效提高光催化效率。

4.3 气态污染物的吸附

气态污染物包括有毒无机气体（如 SO_x、NO_x等）和挥发性有机化合物（VOCs），对人类和其他生物危害极大。MXenes 可用于吸附气态污染物，如 Ti₂CO₂对 NH₃具有化学吸附作用，可作为 NH₃传感器；Ti₃C₂T_x对 VOCs 具有极低的检测限，可用于制造气体传感器。但 MXenes 在高温下热稳定性较差，限制了其在工业中的实际应用，需要通过共催化剂对其进行改性。

4.4 放射性核素污染物的吸附

核废料污染是一个重大环境问题，MXenes 因其独特性质（如高抗辐射能力和化学稳定性）在处理核废料中的放射性核素方面具有潜力。以 V₂CT_x和 Ti₃C₂T_x为例，它们对铀（U (vi)）具有较高的吸附容量，主要通过形成氢键和化学相互作用实现吸附。但去除放射性核素时存在高水合离子半径与 MXene 小层间距的矛盾，可通过分层和水化等方法提高吸附能力。

4.5 其他污染物的吸附

MXenes 还可吸附其他污染物，如合成的 MXene - 氧化铁纳米复合材料可用于去除水中的磷酸盐，基于 Ti₃C₂T_x的电化学酪氨酸酶生物传感器可检测水中的苯酚。此外，MXenes 制成的膜可用于过滤废水中的污染物种，其分离特性取决于阳离子的电荷和大小，通过调整膜的结构可提高水通量和截留率。

4.6 药物的去除

废水中的药物对自然环境有害，MXenes 在去除药物方面表现出有效性。例如，Ti₃C₂T_x对某些药物（如 17α - 乙炔雌二醇、卡马西平等）具有吸附能力，2D/2D Bi₂WO₆/Ti₃C₂ MXene 异质结构可用于光催化降解阿莫西林，纳米纤维素插层的 MXene 膜可有效降解阿奇霉素。

4.7 土壤中污染物的去除

利用 MXenes 的非选择性氧化和吸附特性，可对污染土壤进行修复。例如，接枝到耐盐聚电解质（PEs）中的 MXenes 在高盐环境下仍具有良好的胶体稳定性和对污染物的吸附能力，可用于多种土壤冲洗修复程序。

4.8 MXenes 在污染物质膜分离中的应用

膜分离技术在海水淡化和废水处理中具有重要应用，MXenes 因其可调节的表面化学和可控的层间距，在该领域展现出优势。研究人员制备了多种 MXene 基膜，如 Ti₃C₂T_x膜、Ti₃C₂T_x - GO 复合膜等，这些膜在离子和分子分离方面表现出高选择性、高通量等特性，但 MXene 的溶胀问题限制了其应用，通过层间工程可解决这一问题。

4.9 利用 MXenes 进行污染物的光催化降解

光催化降解有机污染物是环境修复的新兴研究领域，MXenes 可作为新型底物组装先进的共催化剂，有效减少电荷载流子复合，提高光催化剂的分散性和吸附能力。多种 MXene 基复合材料（如 TiO₂/Ti₃C₂、CeO₂/Ti₃C₂等）在光催化降解有机污染物（如甲基橙、罗丹明 B 等）方面表现出优异性能，3D MXene 基水凝胶在光催化领域也具有巨大潜力。

4.10 微生物灭活

MXenes 在抗菌领域取得了新进展，其抗菌机制包括纳米刀片效应和 ROS 生成。MXene 基纳米复合材料对多种细菌（如大肠杆菌、金黄色葡萄球菌等）具有抗菌活性，通过调整其组成（如添加陶瓷氧化物、贵金属纳米颗粒等）可改变抗菌效果。此外，通过构建复杂的异质结构（如 1D/2D CoNWs/MXene 异质结构）可提高 MXenes 的抗菌效率，MXene 基纳米复合材料在点用式水净化基础设施中具有潜在应用价值。

4.11 渗透能转换和纳米流体离子传输

MXene 基膜在智能纳米流体应用中受到越来越多的关注，其具有高电子导电性、热导电性、带负电的表面和纳米级通道等特性，可用于离子传输和渗透能转换。例如，Ti₃C₂膜可作为优秀的纳米流体底物，其离子传输受表面电荷驱动，且可通过激光光完全改变。MXene 基膜还可用于收集渗透能，具有较高的能量密度和转换效率，在其他能量转换领域（如压力驱动的电动发电）也具有潜在应用价值。

5. 电催化性能

5.1 MXene 纳米复合材料电催化性能的结构决定因素

MXene 基纳米复合材料的电催化性能与其结构和组成密切相关。MXenes 的层状结构和密集的表面终止（–O、–F、–OH）可通过控制工程优化催化反应的活性位点。与其他纳米材料（如贵金属、金属氧化物、碳材料）结合形成的异质结构，可促进电荷转移、提高导电性并揭示协同活性位点。此外，MXenes 的高表面积和亲水性有助于电解质的可及性，确保电催化过程中的良好传质，使其成为比传统材料更优异的电催化剂。

5.2 界面工程及其对催化机制的影响

MXene 纳米复合材料中的界面相互作用对设计其电催化活性至关重要。例如，MXene 表面与掺杂剂（如 N 或 S）之间的共价键可调整电子结构，降低关键反应中间体的能量屏障。在 MXene / 石墨烯杂化物或 MXene/MOF 复合材料中，界面处形成的肖特基结或内建电场有助于电荷分离，抑制电子 - 空穴复合，这对光催化和电催化反应至关重要。MXenes 中的缺陷和边缘位点是催化活性的热点，通过调整 MXenes 的 d 带中心，可调节对反应物（如 H*（HER）或 OOH*（ORR））的吸附能，表明受控的界面工程对设计高性能 MXene 电催化剂具有重要意义。

6. 讨论

MXenes 作为一类具有卓越理化性质的二维材料，在环境修复领域展现出巨大潜力。其独特的结构和性能使其可应用于多种污染物的去除、水和污染控制、光催化降解、吸附和微生物灭活等方面，且环境风险较低。然而，MXenes 在实际应用中仍面临诸多挑战，如合成过程中使用有毒化学物质（HF 等），合成方法的可扩展性不足；在环境中的氧化稳定性和长期性能有待提高；其环境命运和毒性尚不完全清楚；在实际大规模环境修复过程中的集成应用存在问题等。解决这些挑战对于 MXenes 在全球环境问题中的大规模应用至关重要。

7. 技术挑战

MXenes 在环境应用中面临多项技术挑战。传统合成方法使用的 HF 对环境和人类健康有害，开发绿色合成方法虽取得一定进展，但仍需进一步研究更简单的方法，同时应关注自下而上的合成方法。大规模生产 MXenes 的高效经济方法尚未建立，这限制了其商业应用和实际环境问题的解决。MXenes 的聚集、存储、在生态系统中的生命周期以及对人类和其他生物的潜在危害等问题也需要深入研究。此外，MXenes 在水性介质中的热和氧化耐久性较差，实际环境应用中的性能受多种因素影响（如共存在离子、天然有机物等），MXene 基膜的溶胀和抗生物污染机制等问题也有待解决。

8. 结论

MXenes 是一类极具前景的二维材料，在环境修复领域应用广泛，具有去除多种污染物、高效的光催化降解、吸附和微生物灭活能力，且环境风险低。然而，目前将其从实验室规模应用扩展到实际环境污染控制仍面临诸多挑战，如合成方法依赖有害化学物质、对其长期环境影响了解不足等。未来需要进一步研究动态柱基操作和生命周期分析，以确定 MXenes 的商业可行性和环境命运。

9. 展望

未来 MXene 的研究将集中在克服当前技术挑战和扩大应用范围。具体包括研究新型 MXene 类型和复合材料，尤其是用于放射性核素去除和多污染物系统；开发绿色合成策略，减少生产过程中的环境影响；通过理论建模、实验研究和先进表征技术深入了解其性能控制参数；将研究从实验室规模扩展到动态柱基操作，实现商业化应用；进行深入的生命周期研究，评估其长期行为和生态影响。通过克服这些挑战，MXenes 有望在大规模环境应用中发挥重要作用，推动环保技术的创新发展。