综述：基于Ti3C2和MXene的复合材料在光催化抗生素降解中的应用：蚀刻策略、机理研究及未来展望

生物通首页 > 今日动态 > 正文

综述：基于Ti3C2和MXene的复合材料在光催化抗生素降解中的应用：蚀刻策略、机理研究及未来展望

时间：2026年3月20日

来源：Journal of Environmental Management

编辑推荐：

Ti3C2 MXene基复合材料在抗生素降解中的应用研究综述其合成策略、异质结光催化机制及环境协同效应，强调材料稳定性和无氟合成的重要性，提出可持续水处理技术开发方向。

刘增|张晓|关艳玲|王森|冷春鹏|袁月|刘琳|博国柱|杨勇|李福平|王浩

华北科技大学，中国唐山

摘要

抗生素在水环境中的无控制释放已成为一个紧迫的全球性问题，因为它们具有生态持久性和对人类健康的威胁。传统处理方法往往不足以完全清除这些抗生素，因此需要先进的策略。Ti₃C₂ MXene是一种二维材料，具有高导电性、可调的表面功能性和较大的比表面积，成为光催化降解抗生素的有希望的候选材料。本文综述了基于Ti₃C₂的复合材料的最新研究进展，重点讨论了影响其结构稳定性、表面化学性质和催化活性的刻蚀技术。系统分析了不同异质结结构（包括II型、Z型、S型和肖特基结）的光催化机制，以及它们与电荷转移路径和氧化还原效率之间的关系。特别关注了主要抗生素类别的降解机制及其中间产物的生态毒性。此外，还探讨了将MXene光催化与高级氧化过程（如芬顿氧化、臭氧氧化和过硫酸盐活化）相结合的方法，以增强矿化作用和环境的恢复力。最后，指出了关键挑战，包括无氟合成、催化剂在复杂介质中的稳定性以及长期环境风险，并提出了将基于MXene的光催化剂转化为可持续水处理技术的未来研究方向。

引言

MXenes是一类新兴的二维材料，首次出现于2011年（Naguib等人，2011年）。"MXene"一词来源于其组成成分："MX"前缀表示通过选择性刻蚀MAX前体获得的结构，而"-ene"后缀则指其类似石墨烯的特性（Li和Xu，2024年；Yang等人，2014年）。与传统光催化剂（如TiO₂、g-C₃N₄、铋基材料、MOF衍生物）相比，MXenes具有显著的优势，如更高的比表面积和优异的电导率。传统系统在降解药物污染物方面存在固有局限，如电荷复合速度快、可见光吸收受限、产生有毒中间产物以及操作不稳定。Ti₃C₂ MXene通过其金属导电性、可调的表面功能化和二维层状结构解决了这些问题，从而实现了更好的载流子分离、宽光谱光利用和有害副产物的最小化（Cai和Xiao，2024年；Chakravorty和Roy，2024年）。这些特性使得MXenes在快速电荷传输、低电子-空穴复合率、优异的化学稳定性和可调功函数方面具有优势。特别是其固有的高导电性进一步增强了这些优点（Bhamare等人，2025年；Cui等人，2023年；Kumar等人，2022年；Qamar等人，2025年）。由于这些特性，Ti₃C₂ MXene迅速成为提高光催化性能和环境保护方面的有前景的催化剂，引起了广泛的研究兴趣。基于Ti₃C₂ MXene的光催化剂因其独特的性质而在抗生素降解方面表现出巨大潜力。与TiO₂和g-C₃N₄等传统光催化剂不同，Ti₃C₂ MXenes具有更好的光催化稳定性和效率，尤其是在水环境中降解抗生素方面。此外，通过构建各种异质结构（如Z型和S型结构），显著提高了它们的氧化还原能力，能够有效降解四环素、喹诺酮类和磺胺类等顽固抗生素。这使得基于Ti₃C₂ MXene的光催化剂在应对水系统中日益严重的药物污染问题上处于独特而关键的位置（Bai等人，2024年；Fattah-alhosseini等人，2024年；Kabir等人，2024年；Kuang等人，2020年；Mallakpour等人，2021年）。

某些水污染物（如染料、重金属和有毒无机离子）对生态系统构成严重威胁（Chu等人，2023年；Ge等人，2024年；Huang等人，2023年）。为解决饮用水安全和环境修复的迫切需求，基于MXene的光催化降解方法显得非常有前景。值得注意的是，目前在全球水环境中检测到了抗生素及其耐药基因（ARGs），这对生态系统构成了重大生态风险。此外，水源中残留的顽固抗生素通过生物积累对人类健康造成长期危害（Biswal等人，2023年；Zhang等人，2024a）。COVID-19大流行加剧了全球抗生素的消费，进一步凸显了开发高效绿色技术以消除抗生素残留的必要性。这项工作旨在指导基于Ti₃C₂ MXene的光催化剂的设计，为消除药物污染物提供机制框架，并为光催化环境修复确定研究重点。

MXenes的制备

MXenes的物理化学性质很大程度上受制备方法的影响。通过刻蚀MAX/非MAX前体可以合成单层或多层MXenes。这些方法大致可分为含氟和无氟两类，每种方法都会赋予MXenes不同的物理化学性质。如图3所示，已经开发出多种合成Ti₃C₂的方法，包括HF刻蚀、混合氟化物盐/HF等方法。

改进MXenes光催化性能的改性方法

尽管MXenes在降解污染物和去除抗生素方面表现出优异的光催化性能，但其结构稳定性对于长期使用仍是一个挑战。由于其层状结构和表面官能团，MXenes在光催化过程中容易发生氧化，导致表面官能团变化，从而引起结构降解和催化效率下降（Al-Hadi和Farouq，2026年）。在实际水环境中，这种情况会更加明显。

基于MXenes的异质结在抗生素光催化降解中的性能和机制

新兴污染物（CECs）对水生态系统和人类健康构成全球性威胁。光催化在降解和矿化CECs方面表现出卓越的效果（Guo等人，2025年；Li等人，2025b）。抗生素是CECs中一个特别值得关注的类别，其中大环内酯类、磺胺类和喹诺酮类由于在医疗和农业中的广泛应用而最为普遍（Javed等人，2025年；Ran等人，2025年；Yang等人，2025b）。

结论与未来展望

基于MXenes的光催化剂因其独特的性质（如高比表面积、可调带隙、优异的电导率、亲水性和热稳定性）而受到广泛关注。本研究重点关注合成Ti₃C₂及其衍生物，用于降解四环素、喹诺酮类和磺胺类等主要抗生素。MXenes与半导体形成异质结或肖特基结，从而实现高效的电荷传输。

实际应用途径

为了将实验室研究与工程应用联系起来，未来的工作需要转向试点规模验证和系统集成。

(1)
提高在复杂介质中的稳定性：实际 pharmaceutical 废水通常含有高盐度和共存的溶解有机物（DOM），这些因素可能会掩盖活性位点或导致催化剂失活。为此，应采用表面工程策略（如用碳壳或惰性氧化物封装MXenes）来减轻这些影响。

CRediT作者贡献声明

刘增：撰写初稿、验证、软件开发、项目管理、数据管理、概念构思。张晓：项目管理、方法论设计、数据分析。关艳玲：监督、项目管理、实验设计、数据分析。王森：验证、资源协调、项目管理、方法论设计。冷春鹏：验证、实验设计、监督、数据分析。袁月：数据可视化、结果验证。