综述：可见光驱动的二维碳材料光催化水体净化

【编辑推荐】本综述系统阐述了可见光驱动（Visible-light-driven）的二维（2D）碳材料（如石墨烯、MXene、g-C3N4）在光催化水体净化中的机制与应用，重点解析了离子掺杂、缺陷工程、异质结构构建等改性策略对提升光催化性能（如ROS生成、Cr6+还原）的关键作用，为绿色水处理技术提供理论支撑。

　　

光催化水体净化的核心机制

可见光驱动的光催化技术通过半导体材料（如2D碳材料）在光照下产生电子-空穴对，进而生成羟基自由基（·OH）、超氧离子（O₂^-）等活性氧物种（ROS），实现污染物降解、重金属离子（如Pb²⁺、Cr⁶⁺）还原及微生物灭活。其效率取决于材料的光吸收能力、电荷分离速率及表面活性位点密度。

二维碳材料的合成策略

高质量2D碳材料可通过化学气相沉积（CVD）、液相剥离（如石墨烯的Hummers法）及机械剥离制备。其中，MXene通过选择性蚀刻MAX相获得，而g-C₃N₄常采用热缩聚法合成，其层间范德华力较弱，易于剥离成单层结构。

性能提升的改性手段

• 离子掺杂：氮掺杂石墨烯可缩小带隙，增强可见光响应；

• 缺陷工程：空位缺陷（如碳空位）作为电子陷阱，抑制电荷复合；

• 异质结构：g-C₃N₄/MXene界面加速电荷转移，提升Cr⁶⁺还原效率；

• 贵金属负载：Au纳米颗粒通过表面等离子体效应（SPR）增强光吸收。

典型材料与应用

• 石墨烯：高导电性促进电子迁移，其氧化物（GO）可吸附并光降解染料分子；

• MXene：丰富的表面官能团（-O、-F）提供活性位点，适用于抗生素降解；

• g-C₃N₄：适中带隙（2.7 eV）匹配可见光，与Bi₂WO₆构建Z型异质结可高效灭活大肠杆菌。

挑战与展望

当前2D碳材料面临规模化制备成本高、实际水体复杂成分干扰等问题。未来需开发低成本合成工艺，并设计模块化反应器以适应实际水处理场景，推动其商业化应用。