综述：基于MXene的纳米结构在声光催化环境下降解有机污染物的研究：环保合成、催化特性及最新进展

《RSC Advances》：MXene based nanoarchitectures for organic contaminants degradation under sonophotocatalytic environment: eco-friendly synthesis, catalytic attributes and recent advancements

这篇综述系统探讨了MXene基纳米材料在声光催化（sonophotocatalysis）协同作用下降解有机污染物的研究进展。文章重点阐述了MXene的绿色合成路径（SDGs导向）、催化特性（如高比表面积、优异吸附能力和内部电场）及其在高级氧化工艺（AOPs）中的应用优势，同时分析了超声（US）与光能协同机制对污染物矿化的增效作用，为开发高效环保的水处理技术提供了新思路。

　　

引言

全球水资源危机日益严峻，预计到2030年将有48亿人因水处理技术不足面临健康威胁。传统废水处理技术如臭氧氧化和芬顿工艺易产生二次污染，难以满足可持续发展目标（SDGs）第6项（清洁水源）和第12项（负责任生产）的要求。在此背景下，混合高级氧化工艺（h-AOPs）尤其是声光催化技术，因其高效、无二次污染的特性成为研究热点。MXene作为新兴二维材料，凭借其独特的层状结构、高导电性和可调表面特性，在AOPs领域展现出巨大潜力。

超声在环境净化中的作用

声化学效应通过空化气泡的溃灭产生极端局部条件（5000 K，500 atm），进而生成羟基自由基（OH˙）等活性物种。声催化与光催化联用可产生六重协同效应：

1. 超声清洁催化剂表面防止污染物吸附

2. 湍流增强传质效率

3. 声致发光（200-800 nm）激发半导体产生电子-空穴对

4. 热效应促进载流子分离

   MXene的层间裂隙和表面褶皱结构（如图8所示）为异相成核提供理想位点，显著提升空化气泡生成率。

MXene的可持续合成路径

传统氢氟酸（HF）蚀刻法存在剧毒风险，新型绿色合成策略包括：

• 低温MAX相合成：采用脉冲磁控溅射法在700°C制备Ti₃AlC₂（图4e显示原子级有序结构）

• 无氟蚀刻：碱辅助水热法（如NaOH处理）或路易斯酸熔盐蚀刻（图6展示不同MAX相的蚀刻效果）

• 气相蚀刻：使用CuBr₂分解产生的气体选择性去除"Al"层

MXene基纳米结构的催化特性

光学特性：原始MXene呈金属性，但表面终端（-F/-OH/-O）使其具备半导体行为。例如BiOBr/MXene/g-C₃N₄Z型异质结（图9）将BiIO₄带隙从2.98 eV降至1.9 eV，显著提升可见光吸收。

表面特性：Ti₃C₂T_x的负电荷表面优先吸附阳离子染料（如亚甲基蓝），单层MXene使OH˙产率提升48.8%（图14）。

异质结设计：

• Z型机制：ZnO/Nb₂CT_x/g-C₃N₄对恩诺沙星的降解率达98.2%（图9j）

• S型机制：α-Fe₂O₃/单层Ti₃C₂通过Schottky结抑制电子回流（图10b）

• 四元复合材料：BiOBr/Bi₂MoO₆/Ti₃C₂/蒙脱石对左氧氟沙星的去除率高达99%

声光催化协同效应

Ni₂Mg_4-xS₄@Ti₃C₂T_x在声光催化中对双酚A（BPA）的降解率（92%）显著高于单一工艺（图12b）。协同指数（S.I.）计算显示：

S.I. = (k_SPC)/(k_SC+k_PC)

典型值介于0.7-2.0之间，负协同效应可能源于声屏蔽或催化剂失活。

未来展望

1. 降解路径解析：需系统研究中间产物毒性（如通过T.E.S.T软件评估）

2. 多污染物处理：实际废水中抗生素、染料、微塑料的共存效应

3. 操作优化：多频超声与太阳能驱动的联用系统

4. 生物相容性：Ti₃C₂T_x在50 μg/mL以下对斑马鱼胚胎无显著毒性

结论

MXene基纳米材料通过声光协同机制实现了污染物高效矿化，其绿色合成路线与SDGs目标高度契合。未来需重点解决材料氧化稳定性（如Ti₃C₂→TiO₂转化）和规模化生产难题，推动该技术从实验室走向实际应用。