综述：MXenes作为可持续功能纳米材料用于光催化降解染料污染物的性能、工艺参数影响、稳定性及可重复使用性评估——一篇批判性综述

本综述系统评述了MXenes基材料（MXBM）在染料污染物光催化降解中的前沿应用，重点分析了光催化性能、关键操作参数（如pH、剂量、初始浓度）的影响机制、活性物种鉴定及材料稳定性。文章强调了MXBM通过增强电荷分离（如形成肖特基结）、作为稳定载体及提升反应物吸附等独特优势，在60–80分钟内实现>90%降解效率，并可持续使用3–8次。同时指出未来需关注中间产物毒性、成本分析和实际场景放大策略，为研究者提供了明确方向。

　　

MXenes：光催化降解染料污染物的新兴可持续材料

摘要

MXenes作为一种新兴的二维功能材料，凭借高电子导电性、可调表面功能、高效电荷分离能力及低肖特基势垒等特性，在光催化领域备受关注。本文聚焦MXenes基材料（MXBM）在染料污染物降解中的应用，系统分析其性能、机制及实际应用潜力。

染料污染物的环境与健康风险

染料是印染、制药、塑料等行业废水的主要成分，年均排放量达28万吨。它们具有芳香族和杂环结构，难以自然降解，且常伴随重金属（如Cd(II)、Pb(II)）释放。染料通过水体、土壤和空气迁移，抑制微生物活性、阻碍光合作用，并通过食物链积累，引发人类癌症、DNA损伤、肝肾毒性等健康问题。

MXenes的独特优势与光催化机制

MXenes的化学通式为M_n+1X_nT_x（M为过渡金属，X为C/N，T为表面官能团）。其在光催化中的核心作用包括：

1. 1.

   增强电荷分离：MXenes的金属导电性和低费米能级可作为电子受体，通过肖特基结抑制电子-空穴复合；

2. 2.

   作为稳定载体：为TiO₂、g-C₃N₄等半导体提供支撑，防止团聚；

3. 3.

   调控尺寸与吸附：表面官能团（如–OH、–F）促进污染物吸附和光催化剂均匀生长。

   光激发后，MXBM产生羟基自由基（•OH）、超氧阴离子（O₂•?）和空穴（h⁺），攻击染料分子中的偶氮键（N=N）和芳环结构，最终矿化为CO₂和H₂O。

光催化性能与关键参数分析

降解效率：MXBM对多种染料（如罗丹明B、亚甲基蓝、刚果红）的降解效率在60–80分钟内普遍超过90%，最高可达100%（如BiVO₄/Ti₃C₂对刚果红）。

关键参数影响：

• •

  催化剂剂量：最佳范围为10–100 mg/L，过高剂量因屏蔽效应和团聚导致效率下降；

• •

  pH值：酸性条件（pH 2–7.5）更有利，因H⁺促进•OH生成，而碱性环境易产生活性较低的HO₂•；

• •

  初始浓度：低浓度（≤40 mg/L）下降解效率高，高浓度因竞争光子和活性位点导致效率降低；

• •

  共存离子：Cl^?等无机离子可能淬灭•OH，而Cr₂O₇^2?因强氧化性显著抑制反应。

活性物种与反应机制

自由基捕获实验表明，•OH和O₂•?是主要活性物种，空穴（h⁺）和电子（e^?）的作用因材料异。例如：

• •

  TiO₂@Ti₃C₂中O₂•?贡献主导；

• •

  ZnO/Ti₃C₂中•OH和h⁺作用显著；

• •

  酸性条件下H⁺与O₂•?反应生成H₂O₂，进一步转化为•OH。

稳定性与再生利用

MXBM可通过乙醇或水洗再生，重复使用3–8次后仍保持>75%效率（如Nd-NiCo₂O₄/MXene对孔雀石绿的第五次循环效率>80%）。性能下降主要归因于表面官能团损失或污染物残留。

挑战与未来方向

当前研究仍以实验室规模为主，未来需关注：

1. 1.

   实际废水应用：包含复杂基质和共存离子的工业废水降解；

2. 2.

   毒性评估：MXBM自身及降解中间产物的长期生态毒性与尺寸依赖性毒性；

3. 3.

   成本与规模化：绿色合成方法开发及全生命周期经济性分析；

4. 4.

   先进还原过程（ARPs）：利用MXBM的水合电子（e_aq^?）还原性，降解抗氧化污染物。

   通过表面修饰、元素掺杂和异质结构建策略，可进一步提升MXBM的稳定性与光催化性能。

结论

MXenes基材料在染料降解中展现高效、可重复使用的优势，但其实际应用仍需解决稳定性、毒性及放大问题。未来研究应结合计算模拟与多技术联用，推动MXBM从实验室走向环境修复实践。