二维晶体材料MXene应用研究进展
陶武清
【摘 要】因过渡金属碳/氮化物(MXene)在导电性、能量储存和比表面积等方面的潜在优势,其在环境治理、电化学储能、传感器、复合材料及催化剂等研究领域备受关注.本文综述了近5年MXene在环境污染治理领域的研究进展.
【期刊名称】《江西化工》
【年(卷),期】interviewer2017(000)001
【总页数】3页(P18-20)
【关键词】二维晶体;碳/氮化物;复合材料;环境治理
【作 者】陶武清
【作者单位】东华理工大学化学生物与材料科学学院,江西 南昌 330013
connected【正文语种】中 文
上海英语培训机构2011年，Naguib等[1]首次制备出过渡金属碳/氮化物纳米片层材料(MXene)，它是一种新型二维片层结构材料，源于三元层状金属陶瓷Mn+1AXn(通常1≤n≤3，M为过渡金属元素，A为第III或IV主族元素，X为C或N原子，简称为MAX)。在Mn+1AXn中，ⅢM-X键结合能大于M-A键，可通过一定手段(如选择性刻蚀)将结合较弱的A原子抽出，制备出二维片层结构的Mn+1Xn，结构类似于石墨烯，故被称为MXene(图1)。它具有类似石墨烯的高比表面积、高电导率的特点，又具备组分灵活可调，最小纳米层厚可控等优势，在储能、吸附、传感器、导电填充剂等领域展现出了巨大的潜力。下文将综述近5年MXene在环境污染治理领域的研究进展。
2.1 金属离子吸附
Mxene表面积大且具有特异性活性基团，可与金属离子作用。Peng等[11]对剥离后的二维层状碳化钛的表面官能团进行碱活化，活化材料对Pb(II)具有特异性吸附性能，最大吸附量可达4500mg/mg，吸附动力学较快，120s即可达到平衡，Pb(II)/Ca(II)和Pb(II)/Mg(II)分离系数高。该吸附性能源于Ti活性位上的羟基，其形成的六方电位陷阱能够促进Pb(II)吸附。
Ying等[12]研究了不同浓度HF刻蚀剥层体相材料Ti3AlC2，明确了10%HF为最佳浓度，对应的Ti3C2Tx-10%在pH5.0时对Cr(VI)的最大吸附容量达到250mg/g。去除机理在于Ti3C2Tx-10%通过静电作用将Cr(VI)吸引至片层表面，再迅速将其还原成低毒性的Cr(III)并通过表面功能基团吸附，去除的同时还降低了毒性。
Ren等[13]通过真空过滤Ti3C2Tx(0.01mg/mL)稀悬浮液方法制备了厚度为1.5±0.1μm的Ti3C2Tx膜(水通量约为38L/(bar1·h1·m2))，该膜对半径小于4.5Å的+2～+4价金属阳离子的选择性较强。单价的半径小于6.4Å的阳离子(如Na(I)，Li(I)和K(I))可渗透Ti3C2Tx之间夹层，Ti3C2Tx各片层表面两侧吸附的离子会形成双电层，导致片层间相互排斥膨胀，使层间距增大从而使其渗透速率更高。
Zou等[14]制备的碳复合材料TiO2-C(u-RTC)对Cr(VI)的吸附容量约为370mg/g，即使存在高浓度的竞争性金属离子，其处理能力仍能达到225mg/mg，尾液可达到世界卫生组织饮用水含Cr(VI)标准。
2.2 光催化降解有机污染物
ptember的缩写
光催化降解有机污染物技术具有广泛应用前景，其能耗低，易操作，而且安全清洁等优势使得光催化技术在未来的环境治理中扮演着重要的角色，Mxene也具有光催化性能。Mashtalir等[15]选用二维碳化钛吸附与降解水介质中的染料。在无光照条件下，采用二维碳化钛吸附亚甲基蓝(MB)及酸性蓝(AB80)，结果表明阳离子染料MB浓度明显降低，而阴离子染料AB80浓度基本不变，表明碳化钛材料更适合处理阳离子染料污染水的处理；在紫外线辐照下，MB和AB80的浓度均在短时间内急剧降低，研究证明降低部分为光催化降解，证明碳化钛具有作为光催化剂的潜能。但水中的氧气容易使碳化钛转变为二氧化钛，对光催化效果产生有不利影响，有待进一步研究。
Gao等[9]用水热法合成了TiO2/Ti3C2纳米复合材料，TiO2纳米颗粒在Ti3C2表面多相成核形成异质结构。实验结果表明，相对于纯相锐钛矿TiO2或Ti3C2，TiO2/Ti3C2纳米复合材料具有更多的电子空穴对，进而具有更好的光催化活性，可用于处理废水和废气。
Peng等[16]以暴露TiO2的活跃{001}面为目的，采用水热反应，使TiO2纳米片层在Ti3C2上原位生长，合成出一种新型的二维复合材料。紫外光照射下，TiO2上高度活跃的{001}面高效地提供光生电子-空穴对，同时，二维Ti3C2上形成的势垒能够有效地捕获光生电子，显
obss著地提高了光催化降解甲基橙染料的性能。这种新型混合材料同时克服了电子-空穴对数量少和光生电子与空穴复合速度快的难题，显示出了MXene材料用于制备高效催化材料的巨大潜能。
2.3 制备生物传感器
Mxene对生物物质敏感并可将其浓度转换为电信号，可用于生物传感器的制备。Wang等[17]提出通过二氧化钛纳米颗粒改性Ti3C2合成纳米复合材料(TiO2/Ti3C2)，以用来固定血红蛋白(Hb)，制造无电子媒介生物传感器。光谱和电化学结果表明，TiO2/Ti3C2纳米复合材料是一种固定基质，与氧化还原蛋白质有良好生物相容性，能够提供良好的蛋白质生物活性和稳定性。相应的生物传感器表现出良好的检测过氧化氢性能，如宽线性范围(0.1-380μM)和极低的检出限(14nM)。更为突出的是二氧化钛纳米粒子具有优良的生物相容性，可以为血红蛋白提供一个保护性的微观环境，从而提高生物传感器的长期稳定性。经过60天的存储，此生物传感器依然保留了最初响应阶段94.6%的过氧化氢。
ocer2.4 营养性污染物处理
re与很多功能材料不同，Mxene不仅对无机金属离子有较强的分离能力，对非金属元素氮、磷等也具有较强的分离能力，该性质可用于营养性污染物的处理。Zhang等[18]为提高Mxene处理能力，采用Fe3O4和Fe3O4对其插层，超细Fe2O3可进入Ti3C2Tx材料内层，增大层间距，暴露更多的Ti-OH活性基团，增加了比表面积，Fe3O4能够提供很好的分离性能。每千克该材料能处理2.4×106mg实际含磷酸盐污水，使其达到污水排放标准。
2.5 去除放射性核素
Wang等[19]首次将MXene用于去除环境中放射性核素，将制备的多层V2CTx吸附分离放射性核素U(VI)，在pH3.0-5.0时最大U(VI)吸附容量达256mg/g，且材料能够再生，可重复利用。X射线吸收精细结构光谱(EXAFS)分析和密度泛函理论(DFT)计算表明U(VI)与V2CTx上的V-OH发生双齿内配位，配位后羟基表现出脱质子化，表明吸附过程遵循离子交换机制。这项工作极大地展示了锕系元素与MXene作用机理，为乏燃料后处理和去除环境中放射性核素提供了一个新方向。MXene用于去除环境中放射性核素的研究相对较少，但已经显示了较好的应用前景。
英语专业就业二维晶体MXene材料独特的形貌使其具有较大的比表面积、层厚可控性、结构可调性以及
关雎原文及翻译组分多样性，且有良好的磁性和导电性等诸多性能，使得Mxene在环境治理、电化学储能、传感器、复合材料及催化剂等研究领域备受关注。目前，已报道的MAX达70余种，而且随着M或者X元素的变化，将会发现更多新型的MAX材料。如果能将这些MAX中的A位原子抽出，Mn+1Xn材料的种类将非常丰富，相关的研究和应用将会呈现井喷式发展。
【相关文献】
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