Research progress of MXene adsorption for removal of pollutants from water

doi:10.19965/j.cnki.iwt.2023-0454

Abstract

Abstract:

In recent years, MXenes has been recognized as a promising material due to its unique physical and chemical properties. Compared with traditional two-dimensional nanomaterials, MXenes has the advantages of large specific surface area, high hydrophilicity, abundant surface active sites, and excellent chemical stability, which makes it have a wide application prospect in environmental remediation technologies such as adsorption. In this paper, the structure and physicochemical properties of MXenes were introduced. The research progress of MXenes for water pollution adsorption remediation was reviewed. The current status of adsorption treatment of heavy metals, dyes, radioactive substances and antibiotics by MXene-based adsorption materials were listed. The characteristics, adsorption conditions, adsorption capacity and corresponding adsorption mechanism of each adsorbent were introduced.The reuse ability of MXenes was discussed. On this basis, the challenges and prospects of MXenes application in the field of water treatment were discussed.

Key words: MXenes, heavy metal, dye, radioactive pollutant, antibiotics, adsorption

摘要：

近年来，MXenes由于具有独特的物理和化学特性而被认为是一种有潜力的材料。与传统二维纳米材料相比，MXenes具有较大的比表面积、高亲水性、丰富的表面活性位点和优异的化学稳定性等优点，使其作为吸附材料在环境修复领域有着广泛的应用前景。简述了MXenes的结构、物化性质，介绍了MXenes作为吸附材料在去除水中污染物方面的研究进展，列举了MXene基吸附材料对重金属、染料、放射性物质以及抗生素的吸附处理现状，介绍了各吸附剂的特点、吸附条件、吸附能力以及相应的吸附机理，并简述了MXenes的回用性能。在此基础上，对MXenes应用于水处理领域所面临的挑战及其应用前景进行展望。

关键词: MXenes, 重金属, 染料, 放射性污染物, 抗生素, 吸附

CLC Number:

X703

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76	WU Zhengguo， DENG Weijie， TANG Shuwei，et al. Pod-inspired MXene/porous carbon microspheres with ultrahigh adsorption capacity towards crystal violet［J］. Chemical Engineering Journal，2021，426：130776. doi:10.1016/j.cej.2021.130776
77	JUN B M，HEO J， TAHERI-QAZVINI N，et al. Adsorption of selected dyes on Ti₃C₂T _x MXene and Al-based metal-organic framework［J］. Ceramics International，2020，46（3）：2960-2968. doi:10.1016/j.ceramint.2019.09.293
78	SOLANGI N H， KARRI R R， MUBARAK N M，et al. Emerging 2D MXene-based adsorbents for hazardous pollutants removal［J］. Desalination，2023，549：116314. doi:10.1016/j.desal.2022.116314
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MXene	重金属	吸附条件			吸附量/（mg·g^-1）	热力学/动力学	反应机理	参考文献
MXene	重金属	pH	时间/min	温度/K	吸附量/（mg·g^-1）	热力学/动力学	反应机理	参考文献
Ti₃C₂T _x	Ba（Ⅱ）	7	120	298	9.3	Freundich/伪二级	化学吸附	〔42〕
Ti₃C₂T _x	Cu（Ⅱ）	5	3	298	78.45	Freundich/伪二级	内球络合、离子交换	〔59〕
Ti₃C₂T _x	Pb（Ⅱ）	6	120	室温	36.6	Freundich/伪二级	静电相互作用、内球络合、离子交换	〔60〕
生物表面活性剂功能化Ti₂CT _x MXene纳米片	Pb（Ⅱ）	5	1 440	303	232.9	Freundich/伪二级	离子交换	〔61〕
硅烷偶联剂KH570磁性Ti₃C₂T _x 纳米复合物	Pb（Ⅱ）	1~6	120	303	147.97	Langmuir/伪二级	化学吸附	〔62〕
氨基酸修饰的MXene（Ti₃C₂T _x -PDOPA）	Cu（Ⅱ）	7	60	298	18.36	Langmuir/伪一级	化学吸附	〔63〕
Fe₃O₄-MXene（FeMX）	Pb（Ⅱ）	5	180	313	210.54	Langmuir/伪二级	离子交换、化学吸附	〔64〕
Ti₃C₂-咪唑杂化复合物	Cr（Ⅵ）	2	45	298	183.8	Langmuir/伪二级	静电相互作用、氢键	〔65〕
Ti₃C₂T _x 纳米片	Pb（Ⅱ）	5	120	298	285.9	Langmuir/伪二级	离子交换、表面络合	〔66〕
Ti₃C₂T _x MXene薄膜	Cr（Ⅵ）	5.14	0~3 000	环境温度	84		化学吸附	〔67〕

MXene	重金属	吸附条件			吸附量/（mg·g^-1）	热力学/动力学	反应机理	参考文献
MXene	重金属	pH	时间/min	温度/K	吸附量/（mg·g^-1）	热力学/动力学	反应机理	参考文献
Ti₃C₂T _x	Ba（Ⅱ）	7	120	298	9.3	Freundich/伪二级	化学吸附	〔42〕
Ti₃C₂T _x	Cu（Ⅱ）	5	3	298	78.45	Freundich/伪二级	内球络合、离子交换	〔59〕
Ti₃C₂T _x	Pb（Ⅱ）	6	120	室温	36.6	Freundich/伪二级	静电相互作用、内球络合、离子交换	〔60〕
生物表面活性剂功能化Ti₂CT _x MXene纳米片	Pb（Ⅱ）	5	1 440	303	232.9	Freundich/伪二级	离子交换	〔61〕
硅烷偶联剂KH570磁性Ti₃C₂T _x 纳米复合物	Pb（Ⅱ）	1~6	120	303	147.97	Langmuir/伪二级	化学吸附	〔62〕
氨基酸修饰的MXene（Ti₃C₂T _x -PDOPA）	Cu（Ⅱ）	7	60	298	18.36	Langmuir/伪一级	化学吸附	〔63〕
Fe₃O₄-MXene（FeMX）	Pb（Ⅱ）	5	180	313	210.54	Langmuir/伪二级	离子交换、化学吸附	〔64〕
Ti₃C₂-咪唑杂化复合物	Cr（Ⅵ）	2	45	298	183.8	Langmuir/伪二级	静电相互作用、氢键	〔65〕
Ti₃C₂T _x 纳米片	Pb（Ⅱ）	5	120	298	285.9	Langmuir/伪二级	离子交换、表面络合	〔66〕
Ti₃C₂T _x MXene薄膜	Cr（Ⅵ）	5.14	0~3 000	环境温度	84		化学吸附	〔67〕

MXenes	染料	吸附量/（mg·g^-1）	热力学/动力学	反应机理	参考文献
用Fe₃O₄修饰的MXene（Ti₃C₂T _x ）	MB	9.85	Langmuir	静电相互作用、氢键	〔70〕
基于MXene的核壳纳米复合材料	硫化染料（ST）	35.599	Langmuir /伪二级	化学吸附	〔71〕
Ti₃C₂T _x	MB	39	Freundlich	静电相互作用、化学吸附	〔72〕
磺酸盐功能化MXenes（Ti₃C₂-SO₃H）	MB	111.11	Langmuir /伪一级	物理吸附、化学吸附、静电相互作用	〔73〕
MXene/PEI功能化海藻酸钠气凝胶（MPA）	刚果红（CR）	3 568	Langmuir /伪二级	静电吸引、氢键相互作用、表面吸附和插层吸附	〔74〕
二维Ti₃C₂T _x MXene纳米片	甲基橙（MO）	94.85	Langmuir /伪二级	静电吸附、络合作用、表面相互作用和离子交换	〔75〕
荚膜型MXene/多孔壳聚糖基碳微球（CPCM@MXene）	结晶紫（CV）	2 750	Langmuir /伪二级	静电相互作用、物理吸附、氢键、π键	〔76〕
Ti₃C₂T _x	MB	140	Freundlich /伪二级	表面络合、静电相互作用	〔77〕

MXenes	染料	吸附量/（mg·g^-1）	热力学/动力学	反应机理	参考文献
用Fe₃O₄修饰的MXene（Ti₃C₂T _x ）	MB	9.85	Langmuir	静电相互作用、氢键	〔70〕
基于MXene的核壳纳米复合材料	硫化染料（ST）	35.599	Langmuir /伪二级	化学吸附	〔71〕
Ti₃C₂T _x	MB	39	Freundlich	静电相互作用、化学吸附	〔72〕
磺酸盐功能化MXenes（Ti₃C₂-SO₃H）	MB	111.11	Langmuir /伪一级	物理吸附、化学吸附、静电相互作用	〔73〕
MXene/PEI功能化海藻酸钠气凝胶（MPA）	刚果红（CR）	3 568	Langmuir /伪二级	静电吸引、氢键相互作用、表面吸附和插层吸附	〔74〕
二维Ti₃C₂T _x MXene纳米片	甲基橙（MO）	94.85	Langmuir /伪二级	静电吸附、络合作用、表面相互作用和离子交换	〔75〕
荚膜型MXene/多孔壳聚糖基碳微球（CPCM@MXene）	结晶紫（CV）	2 750	Langmuir /伪二级	静电相互作用、物理吸附、氢键、π键	〔76〕
Ti₃C₂T _x	MB	140	Freundlich /伪二级	表面络合、静电相互作用	〔77〕

MXenes	污染物	实验条件			吸附量/ （mg·g^-1）	吸附机理	参考文献
MXenes	污染物	酸/碱环境	时间/min	温度/K	吸附量/ （mg·g^-1）	吸附机理	参考文献
Ti₂CT _x	U（Ⅵ）	pH=3		298	470.0	脱质子离子交换	〔9〕
Ti₂CT _x	Th（Ⅳ）	pH=3	720	308	213.2	内球络合	〔80〕
Ti₃C₂T _x	Cs⁺	pH=7	60	313	148.0	离子交换	〔81〕
钛基-MXene	Pd²⁺	0.1 mol/L HNO₃	600	293	184.56	化学吸附	〔82〕
Ti₃C₂（OH）₂	U（Ⅵ）			298.5	595.3	氢键、化学吸附	〔83〕
Ti₃C₂T _x	Cs⁺	pH=6	30	298	25.42	离子交换、静电相互作用	〔84〕
Ti₃C₂T _x /POSS-NH₂	Cs⁺	pH=7	18	室温	148.0	离子交换、静电相互作用	〔85〕
羟基功能化MXene Ti₃C₂T _x	Cs⁺	pH=7	5	288	37.3	静电相互作用	〔86〕
钛基-MXene	Sr²⁺	pH=7	60	293	225	静电吸引、离子交换与内球络合	〔87〕

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