Page 63 - 《精细化工》2021年第12期

第 12 期 侯建华，等: MXenes 及其复合材料在环境领域中的应用 ·2425·

带间介电响应有显著影响，从而影响材料本身的光 的吸收效果较差，为了提高光生电荷的利用率，通
学性能 [31] 。MXenes 的表面官能团也能增强 MXenes 常将 MXenes 与其他半导体耦合形成肖特基结或者
对可见光的吸收能力。例如：ZHANG 等 [32] 发现， 异质结，这样形成的复合材料能够有效促进光生载
Ti 3 C 2 T 2 可以吸收波长在 300~500 nm 范围的可见光， 流子的分离、提高光催化效率 [33] 。
远比纯 Ti 3 C 2 吸收范围大。通过价电子能谱分析，发
现原因是禁带电子跃迁对 MXenes 表面的 T x 基团非 2 MXenes 复合材料
常敏感，这可以使得光学性能发生极大改变。此外，
还可以通过将 MXenes 与金属氧化物和金属硫化物 MXenes 复合材料在结构特性、光学特性、热力
等组分结合成复合材料来调节 MXenes 的光学性质。 学稳定性上会发生不同程度的变化，材料的性能也
总之，MXenes 的光学性质对提高光的捕获率有 会有不同程度的提高 [13-14] 。MXenes 复合材料主要包
促进作用。但是纯 MXenes 的禁带宽度很小，对光 括 3 类，见表 1。

表 1 MXenes 复合材料的种类
Table 1 Types of MXenes composites
MXenes 应用方向 案例 目的 特点
与聚合物复合 光催化析氢 Ti 3C 2/g-C 3N 4 纳 形成异质结，促进复合材料界面处 大幅优化该材料的光催化析氢性能，
米片 [35] 的光生载流子的分离 效率比原始 g-C 3N 4 提升 10 倍左右
与金属氧化物复合 光催化降 α-Fe 2O 3/Ti 3C 2T x [38] 有效促进 α-Fe 2O 3 纳米粒子尺寸的 高效率降解水溶液中的水杨酸（SA），
解污染物 减小，促进其分散 比原始 MXene 提升 20 倍左右，比
α-Fe 2O 3 提升 3 倍左右
与金属硫化物复合 光催化析氢 Mo 2CT x/2H-MoS 2 有效抑制 MXene 层的进一步氧化， 该复合材料具有优异的光催化析氢活
纳米杂化物 [39] 使该材料具有出色的耐用性 性，在相同的过电位下可比未处理的
Mo 2CT x 高 10 倍，且具有出色的耐用性

2.1 MXenes 与聚合物复合 抑制其与光生空穴的复合。
MXenes 与聚合物复合可以从两个角度来考虑。 2.2 MXenes 与金属氧化物复合
一方面，MXenes 的机械强度很高，实际应用中可以 MXenes 可以与金属氧化物复合成结构较新颖
将其作为聚合物的增强材料；另一方面，MXenes 的材料，通常用作催化剂或电极材料。一方面，由
优秀的导电能力与亲水性能决定了 MXenes 可以直 MXenes 衍生的金属氧化物是一种自下而上的方法，
接作为填充物填充在聚合物中。MXenes 与聚合物复 具有足够的原子利用率、较好的纳米材料形貌和结
合后，材料的各物理化学性质都可以有一定的提高， 构的优点。另一方面，有报道称 MXenes 的氧化可
主要是增强材料本身的机械性能、热力学性能等。 导致金属氧化物基杂化材料的形成，这种杂化材料
如 ZHANG 等 [34] 通过将表面改性的二维晶体 Ti 3 C 2 T x 制备方法简单，且在反应过程中具有协同作用。目
填充在超高分子量聚乙烯（UHMWPE）的复合材料 前，与 MXenes 复合的金属氧化物主要有 TiO 2 、
中，成功制备出 Ti 3 C 2 /UHMWPE 复合材料，与纯 MoO 2 、V 2 O 5 、Nb 2 O 5 等，如 Ag 3 PO 4 /Ti 3 C 2 [36] 、TiO 2
UHMWPE 相比，该复合材料的热力学稳定性以及力 纳米纤维/Ti 3 C 2 [37] 等一系列 MXenes 复合光催化剂。
学性能都有显著提高。此外，MXenes 作为新兴的光 DING 等 [38] 以二维 MXene 作为催化剂基材，通过
催化剂，常与类石墨相氮化碳（g-C 3 N 4 ）进行复合， 简便的溶剂热法制备了一种 α-Fe 2 O 3 /MXene（FM）
应用于光催化领域。例如：SU 等 [35] 通过静电自组装 纳米复合材料。MXene 基底可以促进 α-Fe 2 O 3 纳米
将 Ti 3 C 2 T x 与 g-C 3 N 4 复合，制备出 Ti 3 C 2 /g-C 3 N 4 纳米 粒子尺寸的减小，促进其分散。FM 纳米复合材料
片。优化后的 Ti 3 C 2 /g-C 3 N 4 复合材料的光催化析氢 能够高效率且稳定地活化过单硫酸盐产生自由基

性能 〔 72.3 μmol/(h·g-cat) 〕比原 始 g-C 3 N 4 以降解水溶液中的 SA。FM 纳米复合材料对 SA 最
〔7.1 μmol/(h·g-cat)〕约高 10 倍。原因在于质子化 高降解效率可达 98%左右，远高于原始 MXene 的
5%和 α-Fe 2 O 3 的 30%。该研究结果为合理构建和
的 g-C 3 N 4 带正电荷，而 MXenes 表面带负电荷，Ti 3 C 2
和 g-C 3 N 4 之间的静电诱导黏附（自组装）导致了复 开发用于处理废水中有机物的替代催化剂提供了
途径。
合材料中 2D/2D 异质结的形成，促进了 Ti 3 C 2 /g-C 3 N 4
界面处的光生载流子的分离，提升了材料的光催化 2.3 MXenes 与金属硫化物复合
性能。此外，Ti 3 C 2 的超高电导率和 g-C 3 N 4 /MXenes 过渡金属硫化物（TMDs）由于低成本、坚固结
界面之间形成的肖特基结能够促进光致电子转移并 构、高导电性和环境友好等优点，已广泛应用于环