MXenes基光催化剂的进展、挑战和展望

摘要

随着科学技术的不断进步，传统的能源资源如石油和煤炭正面临大规模耗竭的问题，同时也释放出大量的温室气体，导致能源短缺和极端气候变化，这已成为威胁人类生存和发展的紧迫挑战。在这一背景下，光催化技术备受关注，因为它可以将太阳能有效地转化为化学能，被认为是解决能源和环境问题的新兴途径。要实现高效的光催化反应，选择合适的催化剂至关重要。然而，常用的光催化剂，如二氧化钛（TiO₂）、硫化镉（CdS）、氮化碳（g-C₃N₄）等存在着一系列问题，包括光生电荷复合率高、光能利用效率低、稳定性差、电荷转移速度慢等，这些缺陷限制了光催化效率的提高。为应对这些挑战，二维（2D）材料MXenes备受关注。MXenes具有独特的结构柔韧性、多样性的元素组成、优越的导电性、卓越的载流子迁移性能以及丰富的催化活性位点，这些特性有助于加速界面电荷转移并抑制光生电荷复合，因此被广泛应用于光催化反应中，充当了催化剂的角色。本文综合总结了制备高质量MXenes的各种方法，包括水溶液刻蚀、无水刻蚀以及其他物理辅助方法。同时，还讨论了构建MXenes复合光催化体系的多种策略，例如原位生长合成、原位氧化合成和静电自组装等。此外，文中还回顾了MXene与其他材料如TiO₂、CdS、g-C₃N₄、WO₃、BiOBr等在光催化制氢、二氧化碳还原、环境修复、氮固定、杀菌等领域的研究进展。最后，鉴于MXene本身存在的局限性以及产业化需求，文章还展望了MXene基复合材料在光催化领域的未来发展前景和面临的挑战。总的来说，本文为MXenes在光催化太阳能转化中的应用提供了详实而丰富的信息。

关键词

MXenes / 二维材料 / 电荷转移 / 光催化氧化还原 / 界面结构

基金资助

国家自然科学基金(21703038,22072025)资助项目