综述：前沿MXene材料在新污染物治理中的应用：从PFAS、微塑料和纳米塑料的检测到消除

《Separation and Purification Technology》：Cutting-edge MXenes for emerging pollutants: From detection to elimination of PFAS, microplastics and nanoplastics

本综述系统探讨了二维过渡金属碳氮化物（MXenes）这一新兴材料在应对水体新型污染物（PFAS、微塑料/纳米塑料）治理中的前沿应用。文章重点分析了MXene基材料作为吸附剂、催化剂、膜和传感器，在污染物检测、去除与降解方面的独特优势、作用机制及性能影响因素，并指出当前研究的局限性及未来发展方向，为开发高效水处理技术提供了重要参考。

　　

引言

新兴污染物，例如全氟和多氟烷基物质（PFAS）、微塑料（MPs）、纳米塑料（NPs）等，正通过废水排放、工业废水和农业径流进入水生系统，对生态系统和人类健康构成潜在威胁。其中，PFAS因其碳-氟（C–F）键的高强度（544 kJ/mol）而具有极强的化学稳定性和持久性，被称为“永久性化学品”。微塑料和纳米塑料则因其疏水性而易吸附其他有机污染物，成为环境中有毒物质和病原体的载体，并通过食物链传递，引发生殖、生理疾病等一系列不良影响。监测和治理这些污染物至关重要，然而现有水处理技术对此往往效果有限。因此，开发新型、高效的水处理技术迫在眉睫。

MXene基材料的合成

MXenes通常通过从MAX相前体（化学式为M_n+1AX_n）中选择性蚀刻掉A层来合成，随后进行剥离得到多层MXene，并可进一步剥离成单层MXene纳米片。传统的合成方法涉及使用危险的氢氟酸（HF）蚀刻，因此开发更安全、环保的替代合成路线是当前研究的一个重要方向。

PFAS的去除

MXene基膜在去除水中多种PFAS方面展现出巨大潜力。研究表明，将MXene纳米片（例如添加量为0.001–0.050 wt%）引入薄膜复合（TFC）中空纤维膜（HFN），可以赋予膜更高的负电性，从而通过静电相互作用更有效地排斥带负电的PFAS分子，提升去除效率。

用于PFAS和MPs吸附/降解的MXene基吸附剂/催化剂

MXene基材料在吸附和降解PFAS及微塑料方面也具有应用前景。这些材料的高比表面积和可调的表面官能团使其能够高效吸附污染物。此外，MXenes优异的电催化性能也使其可用于降解这些顽固的有机物。

使用MXenes检测PFAS和MPs/NPs

准确检测和量化痕量的PFAS和MPs/NPs是巨大的挑战。近年来，研究人员开始探索基于MXene的传感器在水环境中检测这些污染物的应用。MXenes的高导电性和表面增强拉曼散射（SERS）活性等特性，为开发高灵敏度、高选择性的检测平台提供了新的可能。

挑战与展望

尽管MXenes在环境应用方面显示出巨大潜力，但仍面临诸多挑战。主要包括：传统合成方法依赖危险化学品，需要开发更绿色的替代方案；目前大多数研究仍局限于实验室规模的单一污染物体系，其在真实废水条件下的性能有待验证；MXene材料在水环境中的长期稳定性及其潜在的生态毒性需要全面评估。未来的研究应优先关注绿色合成、材料功能化设计、实际水体的应用验证以及生命周期评估，以推动MXene基技术走向实际应用。

结论

本综述批判性地评估了MXenes在检测、去除和降解新兴污染物（如PFAS、微塑料）方面的潜力。MXenes作为下一代传感器、膜、催化剂和吸附剂材料已展现出令人期待的性能。然而，大多数已报道的研究仍局限于实验室规模，其在实际废水处理中的真正效能仍有待探索。解决合成、稳定性、成本以及环境相容性等方面的挑战，对于实现MXene基水处理技术的规模化应用至关重要。