综述：基于MXene的复合材料在环境应用中的最新进展

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：MXene-Based Composites for Environmental Applications: Recent Advances

MXene基复合材料在环境应用中展现革命性潜力，涵盖水处理、空气净化和资源回收，其高比表面积、表面官能团和可调层间距优势显著。研究重点包括重金属去除（吸附容量超1000 mg/g）、光催化产氢、气体分离及多功能复合材料开发，通过创新合成方法与理论建模优化性能，为可持续环境技术提供新范式。

　　

纳维德·拉比（Navid Rabiee）

印度金奈600077，萨维塔大学（Saveetha University）下属萨维塔牙科学院及医院（Saveetha Dental College and Hospitals）生物材料系，SIMATS

摘要

基于MXene的复合材料已成为环境应用领域的革命性材料，在水处理、空气净化和资源回收方面展现出前所未有的能力。本文全面评估了近期取得的进展，涵盖了从可持续合成创新到先进复合材料设计策略的各个方面。MXene独特的金属导电性、亲水表面化学性质以及可调的层间距使其成为应对关键环境挑战的理想平台。在重金属去除方面已取得显著进展，其吸附能力超过1000 mg/g；同时，通过光催化和类似芬顿（Fenton）的途径实现了有机污染物的有效降解。新兴的合成方法（包括无氟蚀刻和电化学方法）提高了材料的可扩展性和性能。基于MXene的膜具有优异的离子选择性和染料阻隔性能，与金属-有机框架、层状双氢氧化物及聚合物基体的结合则产生了具有更高稳定性、选择性和耐用性的多功能复合材料。光催化应用表现出卓越的氢气生成和二氧化碳还原效率，而基于MXene的传感器对高优先级污染物的检测限可达到ppb至ppq级别。本文的创新之处在于其多维性能分析及综合性视角，将实验结果、理论模型和应用前景整合到一个预测性框架中，揭示了结构-性质-功能之间的关系、跨领域设计原则及优化策略，为复合材料的定制开发提供了实用见解。通过结合批判性评估与前瞻性策略，本文不仅突显了MXene的变革潜力，还为可扩展和可持续的环境技术指明了明确的研究方向。

部分摘录

MXene的历史发展与发现

MXene是一类革命性的二维（2D）过渡金属碳化物、氮化物和碳氮化物，最初由Gogotsi和Barsoum通过选择性蚀刻MAX相中的A层发现[111]、[91]、[93]。MXene这一名称源于从MAX相结构中去除A族元素：其中M代表早期过渡金属，A通常是铝或硅，X表示碳或氮。这一突破性发现为...

重金属去除与离子选择性分离

基于MXene的复合材料在从受污染的水源中去除重金属方面表现出优异性能，这得益于其巨大的表面积、丰富的表面官能团以及出色的离子交换能力。MXene表面带负电荷的官能团（尤其是羟基和氧基）为阳离子重金属（如铅、汞、镉和铬）提供了强大的静电吸附位点。研究表明...

光催化水分解与氢气生产

基于MXene的复合材料在光催化水分解应用中展现出巨大潜力，其独特的电子性质和表面化学特性为太阳能制氢提供了有利条件。MXene的金属导电性促进了载流子的有效传输，而其二维结构为催化反应提供了丰富的反应位点，并能与共催化剂实现良好接触[4]、[56]。Ti₃C₂T_x等MXene材料...

气体分离与大气净化

基于MXene的复合材料在气体分离应用中展现出巨大潜力，尤其是在大气净化和工业气体处理领域，其选择性强、渗透性好且稳定性高的特点使其优于传统分离技术[24]。MXene的可调层间距可实现气体混合物的精确分离，其表面化学性质也可通过改性来增强对特定气体的选择性...

基于MXene的环境应用的综合性能分析：来自实验和文献的证据

基于作者自身经验及文献结果，图12通过多面板展示了基于MXene的环境应用的综合性能，揭示了这些材料在多种环境修复技术中的卓越性能和多参数依赖性。图(a)展示了重金属去除能力与溶液pH值之间的复杂关系...

结论

基于MXene的复合材料的快速发展代表了环境修复技术的范式转变，为解决关键污染问题提供了前所未有的解决方案，同时支持了可持续发展目标。本文全面展示了MXene材料在从水处理和空气净化到资源回收和环境监测等不同环境应用中的多功能性和卓越性能...

作者贡献声明

纳维德·拉比（Navid Rabiee）：负责撰写、审稿与编辑工作；撰写初稿；项目监督；研究设计；概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢使用MATLAB（MathWorks公司，美国马萨诸塞州纳蒂克市；版本R2025a）进行计算建模、数据可视化及图表生成。此外，作者还感谢AI工具（如ChatGPT和DeepSeek）在改进手稿语法和清晰度方面的帮助。

未引用的参考文献

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利益冲突

本文不存在利益冲突。