综述：基于MXene的单原子催化技术用于增强水处理中的芬顿类反应

《CHINESE CHEMICAL LETTERS》：MXene-based single-atom catalysis for enhanced Fenton-like reactions in water treatment

本文系统综述MXene基单原子催化剂在Fenton-like氧化工艺中的应用进展，总结合成策略与表征技术，阐明活性位点与催化机制的结构关联性，评估反应器设计与规模化潜力，强调实际应用中的稳定性、适配性和经济性挑战，提出机器学习辅助设计、混合工艺整合及可持续评估框架等未来方向。

　　

马志通|王远芳|王亚娇|王迅莉|田清白|徐星|赵航航

西安科技大学地质与环境学院，中国西安710054

摘要

近年来，基于MXene的单原子催化剂（SACs）在类Fenton反应中的应用已成为一个快速发展的研究前沿。早期研究表明，与传统纳米粒子催化剂相比，它们在激活过一硫酸盐或过氧化氢以降解污染物方面具有更优异的性能。而最近的研究重点转向了精确的结构工程和反应路径的机制理解。然而，从实验室规模合成到工业应用的转变仍然具有挑战性，这主要是由于难以开发出绿色且可扩展的制造方法、在复杂水环境中长期不稳定、金属活性中心易浸出，以及缺乏与固定床反应器等连续流动系统的成本效益整合。迄今为止，关于其工程应用的综合性综述仍然有限。本综述系统总结了实现原子分散的合成策略和表征技术的进展，阐明了结构-活性关系及自由基/非自由基协同机制，并评估了反应器设计和放大潜力。特别强调了在实际条件下的操作适应性和经济可行性。未来的研究方向包括新型MXene载体的合理设计、机器学习辅助的催化剂优化、混合工艺整合以及可持续性评估框架的建立，旨在弥合基础发现与实际水处理技术之间的差距。

引言

MXenes是一类由层状过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物组成的二维材料，其通用公式为M_n+1X_nT_x（其中M是过渡金属，X是碳或氮，T_x代表表面官能团）[[1], [2], [3], [4]]。这种结构赋予MXenes高比表面积、优异的导电性和可调的表面化学性质，使其非常适合作为单原子催化剂的载体[3,[5], [6], [7], [8], [9]]。基于MXene的单原子催化剂的合成通常从选择性蚀刻M_n+1AX_n（MAX）相前驱体开始，生成多层纳米片，随后通过浸渍或电化学沉积等技术固定孤立的金属原子。这些方法利用内在缺陷和表面官能团来防止金属聚集，从而生成具有高密度、明确活性位点的催化剂，从而提高类Fenton反应的效率[3,7,[10], [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17]]。

基于MXene的单原子催化剂在类Fenton反应中的应用是一个相对较新但发展迅速的领域（见支持信息中的图S1a）。初步探索始于2010年代末，与人们对单原子催化和MXene材料的兴趣日益增加相吻合[3,5,6,10,[14], [15], [16], [17], [18], [19]]。早期的研究（约2018-2020年）主要是概念验证，重点是通过激活过一硫酸盐（PMS）或过氧化氢（H₂O₂）来降解模型有机污染物（例如染料、抗生素）。这些工作证明了单原子位点相较于传统纳米粒子基催化剂的优越性能。近年来（2021年至今），研究重点转向了催化剂设计的优化和反应机制的阐明[[20], [21], [22], [23]]。研究工作集中在调整MXene的缺陷密度、表面终止态以及金属中心的配位环境，以提高稳定性、选择性和各种氧化剂的活化效率（见支持信息中的图S1b）。例如，郭等人开发了掺杂CoN₁O₂单原子位点和Co纳米簇的MXene，用于PMS活化，实现了更有效的污染物降解[24]。在理解自由基/非自由基反应途径的主导作用方面取得了显著进展，标志着从现象观察向机制理解的转变[3,[25], [26], [27], [28], [29]]。

将基于MXene的单原子催化剂从实验室研究转化为工业应用仍然是催化领域的一个主要挑战。在实际水处理中，理想的催化剂必须具备高活性、稳定的性能、易于分离和成本效益。目前的努力集中在将粉末状催化剂整合到气凝胶、复合膜或固定床反应器等结构化系统中，以实现连续流动操作[26,[28], [29], [30], [31], [32], [33], [34]]。虽然试点规模的研究已经证明了其在处理模拟废水方面的有效性，但真正的工业应用面临三个关键障碍：开发绿色且可扩展的合成方法、减轻催化剂在真实水环境中的浸出和失活现象，以及建立全面的生命周期评估协议[[35], [36], [37], [38], [39], [40], [41], [42]]。

迄今为止，关于这些催化剂在类Fenton系统中工程应用的系统性综述仍然不完善。本综述通过结构化的分析填补了这一空白。它批判性地评估了实现原子分散的合成策略和表征技术，阐明了催化机制和结构-活性关系，并评估了反应器集成和放大途径。特别关注了长期稳定性不足、在实际操作条件下的适应性差以及经济限制等持续存在的挑战。提出了未来的研究方向，包括开发新型MXene载体、机器学习辅助的催化剂设计、与混合技术的整合，以及建立科学合理的可持续性评估指标，以推动基础发现向实际应用的转化。

部分摘录

HF蚀刻方法

在合成基于MXene的单原子催化剂的各种方法中，HF蚀刻方法仍是一项基础技术[11,14,16,24,43]。这一成熟的过程首先选择性地去除MAX相前驱体中的A层（通常是铝），从而得到富含-O、-OH和-F等表面官能团的多层MXene纳米片。这些官能团的存在以及内在的结构缺陷为催化剂提供了有利的锚定位点

基于MXenes的SACs的类Fenton性能和见解

在合成基于MXene的单原子催化剂的过程中，工艺参数（包括制备方法、蚀刻条件、温度和前驱体组成）的变化往往会导致单原子配置（如配位环境和负载密度）的显著变化[2,7,11,14,24,67]。这些结构差异影响了单原子位点与MXene载体之间的电子转移效率以及金属-载体相互作用的强度

基于ML的MXene单原子催化

材料科学和数据科学的融合使机器学习（ML）成为合理设计基于MXene的SACs的变革性工具[32,[80], [81], [82], [83], [84], [85], [86], [87], [88], [89]]。通过整合多种数据集（涵盖合成条件、结构特征和催化性能），ML模型可以解析传统分析中常常被掩盖的复杂结构-性质关系。这一能力使得关键指标的可靠预测成为可能

基于MXenes的SACs的催化装置

将基础催化机制与实际应用联系起来需要将催化剂工程化地整合到功能装置中（见图5），这是将类Fenton催化应用于实际中的核心要求[31]。因此，使用MXene支持的单原子催化剂构建宏观催化装置对于实现高效、连续流动的水处理至关重要

结论与展望

基于MXene的单原子催化剂在类Fenton反应中表现出显著的催化活性、可调的反应路径和结构稳定性，为推动水处理技术的发展提供了有前景的平台。本综述全面总结了这类催化剂的合成策略、结构特征、反应机制和装置整合方面的最新进展，特别强调了原子分散之间的协同作用

CRediT作者贡献声明

马志通：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、形式分析、概念构思。王远芳：撰写——审稿与编辑、概念构思。王亚娇：形式分析。王迅莉：数据管理。田清白：数据管理。徐星：撰写——审稿与编辑。赵航航：撰写——审稿与编辑、项目管理。

CRediT作者贡献声明

马志通：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿。王远芳：可视化。王亚娇：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿。王迅莉：数据管理。田清白：撰写——初稿、可视化。徐星：撰写——审稿与编辑、监督。赵航航：撰写——审稿与编辑。