一种新型Ti?C? MXene基纳米复合材料的合成：用于光催化废水处理和CO?转化——DFT分析、机理研究及工艺优化

《Separation and Purification Technology》：Synthesis of a novel Ti 3C 2 MXene–based nanocomposite for photocatalytic wastewater treatment and CO 2 conversion: DFT analysis, mechanistic insights, and process optimization

本研究开发了一种Bi?O?/Ag?PO?@Ti?C? MXene异质结光催化剂，通过超声浸渍法合成并优化参数，实现恩诺沙星高效降解（98.6%）和CO?还原（CO生成速率74.6 μmol·g?1·h?1），验证了Z方案电荷分离机制及循环稳定性。

　　
随着全球工业化进程加速和人口增长，环境污染与碳排放问题日益交织。研究团队针对这两大挑战，开发出一种基于MXene骨架的双功能光催化材料，实现了抗生素降解与二氧化碳还原的协同作用。该材料通过Bi?O?与Ag?PO?的直接Z型异质结构建，结合导电MXene的支撑作用，突破了传统光催化剂效率低、稳定性差等瓶颈。

在材料设计层面，研究者采用银 phosphate（Ag?PO?）作为光氧化组分，其2.40 eV的带隙和可见光响应特性使其能够高效产生活性氧物种。但该材料存在电子空穴复合率高、银离子光腐蚀等问题。通过引入Bi?O?（带隙2.81 eV），形成异质结后，Ag?PO?的氧化电位（+2.66 eV vs NHE）与Bi?O?的还原电位（-0.61 eV）形成协同效应，既保持高氧化活性又增强电子传输能力。进一步以Ti?C? MXene为导电骨架，构建三维互联结构，使电子在MXene的-0.55 eV Fermi能级处高效分离，有效抑制电荷复合。

实验表明，优化后的BiAgT15催化剂在68分钟内实现恩诺沙星98.6%的降解，总有机碳（TOC）矿化率达81%。机理研究揭示，•O??和•OH是主要降解活性物种，通过多步反应最终生成CO?和水。值得注意的是，MXene的导电网络不仅加速电荷转移，其表面丰富的羟基和缺陷位点还增强了吸附能力，使催化剂在复杂水质（如河水）中仍保持64.4%的高效降解。

在CO?还原方面，该材料展现74.6 μmol/g·h的CO生成速率，超过多数商用催化剂。电荷分离机制中，Bi?O?的导带电子注入MXene后，在表面形成稳定的双电子还原体系，同时Ag?PO?的价带空穴迁移至Bi?O?表面，实现光生电子与空穴的定向利用。这种Z型异质结设计成功规避了贵金属催化的成本问题，且在循环测试中表现出优异稳定性，连续5次使用后活性仍保持90%以上。

实际应用测试显示，该催化剂在饮用水（82.8%）和河水（64.4%）处理中均有效，性能差异主要源于水质中碳酸盐等离子的竞争吸附效应。反应动力学研究通过响应面法确定最佳参数组合（催化剂浓度0.60 g/L，pH 7.31，光照68分钟），此时TOC矿化效率达到81%，且去除抗生素的准一级动力学常数显著优于传统催化剂。

该研究的创新性在于首次将抗生素光降解与CO?资源化结合于同一催化体系。通过DFT计算和LC-MS联用技术，证实了反应路径中关键中间体的形成与分解过程，特别是氟原子在催化剂表面的选择性去除机制。这种协同效应不仅提升单一功能的催化效率，更开创了"污染治理+碳循环"的一体化解决方案。

从环境治理角度，该材料在抗生素污染治理中展现出独特优势。传统方法如吸附或膜分离难以处理ng-μg/L浓度的痕量抗生素，而光催化通过氧化矿化实现彻底降解，且MXene的层状结构可负载更多活性位点。在碳中和技术方面，该催化剂将CO?转化为高附加值化学品（如CO和甲酸），其CO生成选择性达92%，显著高于单一光催化剂。

未来发展方向包括拓展材料体系至其他MXene衍生物，优化异质结界面工程以进一步提升电荷分离效率，以及开发模块化反应器实现工业化应用。研究团队特别指出，该催化剂在处理含碳酸盐水体时，表面双电层效应会导致活性位点部分钝化，这为后续材料改性提供了重要方向。

该成果为解决全球性环境问题提供了新思路，其核心价值在于通过材料科学创新实现环境治理与碳中和的协同增效。研究不仅验证了MXene在构建高效光催化异质结中的潜力，更展示了光催化技术从实验室到实际应用的转化路径，对推动绿色可持续发展具有重要参考意义。