新型二维材料MXene吸附重金属的研究进展

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2021-0388

摘要/Abstract

摘要：

近年来，新型纳米材料MXene因独特的形态及化学结构受到了广泛关注。MXene是一个二维过渡金属碳化物和氮化物的家族，通常由刻蚀前驱体MAX层状金属陶瓷相合成。通过刻蚀较弱的A原子将MAX上下两层抽出，即可得到层状的MXene材料。该类材料具有类石墨烯二维层状结构、较大的比表面积、良好的亲水性能、优异的稳定性和导电性，被广泛应用于吸附多种污染物质。介绍了MXene材料的制备方法，综述了MXene材料在重金属吸附领域的应用及机理，分析了影响MXene材料吸附性能的主要因素，最后指出了MXene材料面临的挑战并展望了未来的研究方向。

关键词: 二维材料, MXene, 蚀刻法, 放射性核素, 重金属吸附

Abstract:

In recent years，the new nanomaterial MXene has received extensive attention due to its unique morphology and chemical structure. MXene is a family of two-dimensional transition metal carbides and nitrides，usually synthesized by etching precursor MAX layered cermet phase. By etching the weaker A atoms，the layered MXene material is extracted from the upper and lower layers. This type of material has the characteristics of graphene-like two-dimensional layered structure，large specific surface area，good hydrophilic properties，excellent stability and electrical conductivity，and is widely used to adsorb various pollutants. In this article，the preparation methods of MXene were introduced，the application and mechanism of MXene materials in the field of heavy metal adsorption were reviewed，and the main factors affecting the adsorption performance of MXene material were analyzed. Finally，the challenges faced by MXene materials were pointed out and the future research direction was prospected.

Key words: two-dimensional materials, MXene, etching method, radionuclide, heavy metal adsorption

中图分类号:

TQ424
X703

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https://www.iwt.cn/CN/Y2022/V42/I6/116

图/表 6

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制备方法	优点	缺点	合成途径	参考文献
HF蚀刻法	选择性蚀刻好，有丰富的端接基团，层间距较大	HF有较强腐蚀性，危险性较大	HF/Ti₃AlC₂	〔8〕
HF蚀刻法	选择性蚀刻好，有丰富的端接基团，层间距较大	HF有较强腐蚀性，危险性较大	LiF+HCl/Ti₃AlC₂	〔25〕
水热蚀刻法	比HF蚀刻更安全，层间距较大，稳定性能更好	温度和碱度难以控制MXene的形貌尺寸	NH₄F/Ti₃AlC₂	〔17〕
			NaOH/Ti₃AlC₂	〔28〕
			NaBF₄+HCl/Ti₃AlC₂	〔29〕
电化学蚀刻法	是一种更安全环保、无氟的蚀刻方法，成本较低	蚀刻效率低，且可能破坏MXene结构	CFCs和CB三维复合电极制备MXene	〔31〕
电化学蚀刻法	是一种更安全环保、无氟的蚀刻方法，成本较低	蚀刻效率低，且可能破坏MXene结构	NH₄Cl和TMA·OH二元水解电解质刻蚀Ti₃AlC₂	〔18〕
熔盐法	制备简单，形貌可控，纯度高	刻蚀温度随时间增加而增高	ZnCl₂与MAX中Al元素发生置换反应合成MXene	〔32〕
化学气相沉积法	横向尺寸大，生产质量高，缺陷少	制备成本高，工艺较复杂，难以控制	三维石墨烯/Ti₃C₂T _x /PDMS薄膜	〔20〕

制备方法	优点	缺点	合成途径	参考文献
HF蚀刻法	选择性蚀刻好，有丰富的端接基团，层间距较大	HF有较强腐蚀性，危险性较大	HF/Ti₃AlC₂	〔8〕
HF蚀刻法	选择性蚀刻好，有丰富的端接基团，层间距较大	HF有较强腐蚀性，危险性较大	LiF+HCl/Ti₃AlC₂	〔25〕
水热蚀刻法	比HF蚀刻更安全，层间距较大，稳定性能更好	温度和碱度难以控制MXene的形貌尺寸	NH₄F/Ti₃AlC₂	〔17〕
			NaOH/Ti₃AlC₂	〔28〕
			NaBF₄+HCl/Ti₃AlC₂	〔29〕
电化学蚀刻法	是一种更安全环保、无氟的蚀刻方法，成本较低	蚀刻效率低，且可能破坏MXene结构	CFCs和CB三维复合电极制备MXene	〔31〕
电化学蚀刻法	是一种更安全环保、无氟的蚀刻方法，成本较低	蚀刻效率低，且可能破坏MXene结构	NH₄Cl和TMA·OH二元水解电解质刻蚀Ti₃AlC₂	〔18〕
熔盐法	制备简单，形貌可控，纯度高	刻蚀温度随时间增加而增高	ZnCl₂与MAX中Al元素发生置换反应合成MXene	〔32〕
化学气相沉积法	横向尺寸大，生产质量高，缺陷少	制备成本高，工艺较复杂，难以控制	三维石墨烯/Ti₃C₂T _x /PDMS薄膜	〔20〕

MXene材料	目标离子	实验条件	最大吸附容量/（mg·g^-1）	吸附机理	参考文献
V₂CT _x	U（Ⅵ）	DFT模拟，分子动力学模拟	—	双齿内球配位，形成氢键	〔13〕
V₂CT _x	U（Ⅵ）	ρ=5~120 mg/L；pH=2~5；t=0~350 min	174（pH=5.0）	双齿内球配位，离子交换	〔35〕
Ti₃C₂（OH）₂	U（Ⅵ）	DFT模拟，分子动力学模拟	595.3 （理论吸附量）	双齿内球配位，形成氢键	〔34〕
Ti₂CT _x	U（Ⅵ）	ρ=0~400 mg/L；pH=2~10；t=0~100 h	470（pH=3.0）	吸附还原	〔36〕
Ti₂CT _x	Th（Ⅳ）	ρ=0~100 mg/L；pH=1~3.5；t=0~700 h	213.2 （水合态Ti₂CT _x ）	内球络合作用	〔39〕
酰胺肟官能化Ti₃C₂T _x	U（Ⅵ）	负载电极；pH=5.0；t=0~800 min	294~626 （负载电极）	酰胺肟基螯合作用；负载电极提高萃取能力	〔37〕
羧基官能化Ti₃C₂T _x	U（Ⅵ）Eu（Ⅲ）	ρ=200 mg/L；pH=2~10；t=0~180 min	334.8（pH=5.0）97.1（pH=5.0）	内球构型内球络合，静电作用	〔38〕

MXene材料	目标离子	实验条件	最大吸附容量/（mg·g^-1）	吸附机理	参考文献
V₂CT _x	U（Ⅵ）	DFT模拟，分子动力学模拟	—	双齿内球配位，形成氢键	〔13〕
V₂CT _x	U（Ⅵ）	ρ=5~120 mg/L；pH=2~5；t=0~350 min	174（pH=5.0）	双齿内球配位，离子交换	〔35〕
Ti₃C₂（OH）₂	U（Ⅵ）	DFT模拟，分子动力学模拟	595.3 （理论吸附量）	双齿内球配位，形成氢键	〔34〕
Ti₂CT _x	U（Ⅵ）	ρ=0~400 mg/L；pH=2~10；t=0~100 h	470（pH=3.0）	吸附还原	〔36〕
Ti₂CT _x	Th（Ⅳ）	ρ=0~100 mg/L；pH=1~3.5；t=0~700 h	213.2 （水合态Ti₂CT _x ）	内球络合作用	〔39〕
酰胺肟官能化Ti₃C₂T _x	U（Ⅵ）	负载电极；pH=5.0；t=0~800 min	294~626 （负载电极）	酰胺肟基螯合作用；负载电极提高萃取能力	〔37〕
羧基官能化Ti₃C₂T _x	U（Ⅵ）Eu（Ⅲ）	ρ=200 mg/L；pH=2~10；t=0~180 min	334.8（pH=5.0）97.1（pH=5.0）	内球构型内球络合，静电作用	〔38〕

MXene材料	目标离子	实验条件	最大吸附容量/（mg·g^-1）	吸附机理	参考文献
nZVI-Alk-Ti₃C₂	Cr（Ⅵ）	ρ=0~100 mg/L；pH=2~9；t=0~1 500 min	194.87（pH=2.0）	碱化Ti₃C₂与nZVI协同作用	〔40〕
Ti₃C₂T _x	Cr（Ⅵ）	c=4 mmol/L；pH=2~13；t=0~4 000 min	250（pH=5.0）	Cr（Ⅵ）还原成Cr（Ⅲ），形成Ti—O—Cr共价键	〔41〕
Ti₃C₂（OH/ONa） _x F_2- _x	Pb（Ⅱ）	c=0.25 mmol/L；pH=5.8~6.2；t=0~120 min	50（120 s平衡）	离子交换形成Ti—O—Pb键，内球络合作用	〔42〕
MXene/SA	Pb（Ⅱ） Cu（Ⅱ）	c=1.5 mmol/L；pH=1~7；t=0~120 min	382.7（pH=5.0） 87.6（pH=5.0）	离子交换和化学配位	〔43〕
MX-SA球体	Hg（Ⅱ）	ρ=25 mg/L；pH=2~11；t=0~8 h	932.84	表面络合作用和离子交换	〔44〕
Ti₂CT _x /PDDA	Re（Ⅶ）	ρ=0~350 mg/L；pH=1~10；t=0~360 min	363	吸附还原过程	〔45〕

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