综述：氧空位工程化Ti3C2Tx MXenes用于水体系中药物残留的光催化降解：分子机制与未来方向

这篇综述系统阐述了通过氧空位（VO）调控Ti3C2Tx MXenes的表面化学性质，以增强其对水中药物污染物（如抗生素、NSAIDs）的光催化降解效能，重点探讨了缺陷工程对能带结构、电荷分离及ROS生成的调控机制，为开发高效环境修复材料提供了理论框架。

　　

引言

水环境中药物残留的持续积累对生态和公共健康构成严峻挑战。传统水处理技术对这类结构复杂的污染物效率有限，而基于Ti₃C₂T_x MXenes的光催化技术因其可调的表面化学和缺陷工程策略成为新兴解决方案。

药物污染物的分子挑战

药物污染物如磺胺甲恶唑（SMX）和双氯芬酸（DCF）具有高生物活性、持久性和结构多样性。其芳香环、卤素取代基等功能团抵抗微生物降解，需通过光催化产生的羟基自由基（•OH）和超氧阴离子（•O₂^?）实现矿化。

MXenes的结构与光催化潜力

Ti₃C₂T_x的层状结构和表面终止基（–O/–OH）赋予其高导电性和亲水性。然而，原始MXenes存在可见光吸收有限和电荷复合率高的问题，而氧空位工程通过以下机制提升性能：

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  能带调控：V_O引入中间能级，将光响应扩展至近红外（1.2–1.6 eV）；

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  电荷分离：Ti³⁺缺陷态作为电子陷阱，延长载流子寿命至微秒级；

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  表面活化：未配位Ti位点增强污染物吸附，如羧酸盐的双齿配位（吸附能提高0.5–1.0 eV）。

氧空位工程策略

通过热处理（H₂退火）、化学还原（NaBH₄）或等离子体处理可控引入V_O。表征显示，EPR信号（g≈2.003）和XPS Ti³⁺峰（457.0 eV）证实缺陷密度与催化活性正相关。

药物降解的分子机制

不同药物通过特异性路径降解：

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  NSAIDs（如双氯芬酸）：羧基与Ti³⁺配位启动脱羧和芳环羟基化；

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  抗生素（如SMX）：磺酰胺基通过S–N键断裂优先降解；

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  抗抑郁药：胺基氧化导致脱烷基化。DFT计算揭示V_O区域降低反应能垒，如双氯芬酸脱氯能垒减少30%。

挑战与未来方向

尽管Ti₃C₂T_x–V_O在实验室表现出色，其实际应用仍受限于：

1. 1.

   稳定性问题：V_O在氧化环境中易钝化；

2. 2.

   复杂水体干扰：有机物竞争吸附降低效率；

3. 3.

   规模化生产：HF蚀刻工艺的环保风险。

   解决方案包括AI指导的缺陷优化（如预测最佳V_O构型）和构建Z型异质结（如g-C₃N₄/MXene）以增强稳定性。

结论

氧空位工程为MXenes在环境修复中的应用提供了原子级调控工具。通过跨学科合作推动材料设计-性能-应用闭环，有望实现针对痕量药物污染物的精准治理。