二維層狀納米材料MXenes的制備方法及其在光催化領域中的應用

常 春，黃心悅，王 瓊

(渤海大學 a.化學與材料工程學院；b.海洋研究院，遼寧 錦州 121013)

1 研究現狀

1972年，Fujishima等[1]在《Nature》上發表了關于TiO2電極上光解水的論文，開啟了半導體光催化時代的新紀元。光催化技術能夠將低密度的太陽能轉化為高密度的電能和化學能，直接用于水分解制氫和環境中污染物的去除，在解決當今社會人類面臨的能源短缺與環境污染等問題方面具有重要的應用前景[2]。光催化太陽能轉化可以分為3個過程：光吸收、光生電子空穴對的分離與遷移、表界面化學反應。其中，光生載流子的有效分離和遷移是光催化反應的限速步驟。傳統光催化劑由于光生載流子的復合率高而表現出較低的催化效率，雖然使用貴金屬作為助催化劑可以促進光生載流子的有效分離，卻會增加成本。因此，開發一種高效且廉價的助催化劑至關重要[3]。

2000年，Barsoum等[4]將具有Mn+1AXn(n=1～3)化學通式的三元層狀碳氮化合物統稱為MAX相，其中M為過渡金屬元素，A主要為第三主族和第四主族元素，X為碳或氮元素。到目前為止，MAX相家族已經擴員到100余種，M位已經拓展到鑭系稀土，A位已經添加了含未滿d電子的副族元素，X位則增加了硼元素，如圖1所示[5]。MAX相晶體結構中Mn+1Xn單元層具有較強的共價鍵，而A層原子與相鄰M層原子的電子云重疊較低，導致結合較弱，利用這種結構可將Mn+1Xn從MAX中分離出來，制備一大類二維過渡族金屬碳/氮化物材料，如圖2所示[5]。

圖1 目前已合成MAX相的組元分布

圖2 M2X，M3X2，和M4X3的結構示意圖

2011年，Naguib等[6-7]利用氫氟酸(HF)刻蝕Ti3AlC2中的鋁原子層，首次制備了Ti3C2Tx二維材料(Tx為Ti3C2表面的基團)，其原子結構與石墨烯(graphene)中碳原子堆積方式相似，于是從Mn+1Xn和Graphene中各取關鍵詞，將其命名為MXene。此后，它的許多優良性質被陸續發現，MXenes作為一類新型的二維功能材料走進人們的視野，并引起學術界的廣泛關注。二維MXenes材料因載流子遷移和熱量擴散都被限制在二維平面內，使得這種材料展現出許多奇特的性質，如具有極高的比表面積、非凡的光學性質以及光電和電化學特性，可以作為光催化劑，在環境與能源領域發揮作用。本文中結合近年來二維材料MXenes的研究成果，對其結構、性質、制備方法及其在光催化領域的應用進行了綜述。

2 MXenes的理化性質

2.1 化學性質

MXenes化學性質的不同主要是由于其表面插入的官能團不同，一般為-O，-OH和-F等。據相關數據表明，其表面官能團的種類與氫氟酸濃度有關[8]。通常，較低濃度的氫氟酸會導致較大的O/F比。此外，刻蝕劑也很重要。例如，當用LiF+HCl腐蝕MXenes時，可以得到以-O端基終止的MXenes，而用氫氟酸腐蝕MXenes時，可以得到以-F端基終止的MXenes[9]。由理論計算可知，與純相Ti3C2相比，經氟化和羥基化處理后帶有-F或-O終端的Ti3C2均可吸收波長在300～500 nm范圍內的光[10]。

2.2 光學性質

大多數純相MXenes的禁帶寬度約為2.7 eV，光吸收較差。此外，這種材料的載流子復合率較高。因此，MXenes可以作為一種高效的助催化劑與其他半導體材料耦合形成肖特基結或者異質結，從而在光催化反應過程中有效地抑制光生電子空穴對的復合，提高光生電荷的利用效率[11]。例如，純相Zr2CO2在波長300～500 nm范圍有吸收，施加范德華力促使Zr2CO2和藍磷發生耦合效應，在雙軸壓縮應變下，Zr2CO2的禁帶寬度會改變，從而使它的光吸收范圍向可見光區發生偏移。總而言之，MXenes的光學性質有利于提高光的捕獲率[12]。

2.3 電學性質

研究人員在實驗過程中發現，可以通過改變表面終端基團和元素組成來調整MXenes的電學特性。MXenes在費米能級附近有相當大的電子密度，電子云密度過高說明電子的數量多且運動頻繁。由于負電荷多，缺電子的基團容易與它反應，使其電學性能得到增強。Zhang等[13]運用密度泛函理論進行計算時發現，載流子在單層的-O吸附的TiCO2材料上沿X軸和Y軸均有強烈的各向異性。沿X軸的傳輸速度更快，但無論沿哪個方向傳輸，空穴的傳輸速率都比電子高100倍，可以達到104cm2V-1·s-1。以上結果說明了在MXenes中，空穴的傳輸速度遠高于電子。

2.4 力學性質

Ghidiu等[14]采用鹽酸和氟化鋰的混合溶液刻蝕得到的MXenes具有親水性能，與水混合時體積膨脹，能像粘土一樣成型，可通過擠壓制備性能良好的MXenes 薄膜。這種導電薄膜具有良好的柔韌性、可折疊性，具有一定的強度，可反復處理而保持結構完整。Ling等[15]將一些聚合物(如聚乙烯醇(PVA)與Ti3C2)緊密結合，形成MXenes-VA-MXenes 交替出現的層狀結構，當PVA擔載量達到60 wt%時，該復合材料比純相Ti3C2Tx薄膜的強度高4倍。這些薄膜能在能量存儲、電化學致動器、射頻屏蔽等領域發揮重要作用。

2.5 磁學性能

相關理論研究結果表明：Tin+1Cn和Tin+1Nn(n=1～9)均有磁性，大多數的MXenes在官能團化后磁性會隨之消失。然而，在二維片層材料中，Cr2C和Cr2N是例外，在官能團化前后的鐵磁性都很好。此外，采用不同計算方式時，MXenes的磁性也存在顯著差異。例如，利用LDA密度泛函理論(local-density approximation)預測Ta2C和Ta4C3的磁性性能，結果為無磁性和反鐵磁性材料；若利用PBEsol(Perdew-Burke-Ernzerhof)方法預測它們，則分別為反鐵磁性和無磁性。除此之外，應力加入也會改變MXenes的磁學性能，使拉伸應力逐漸增大，原本無磁性的MXenes也會發生磁性轉變的現象。

2.6 穩定性

據Green小組報道，周圍介質能影響MXenes的氧化速率[16]。單一MXenes薄片在氧氣和水存在條件下會經歷分解過程。在高溫或紫外線照射下，MXenes薄片的氧化分解速度還會加快。因此，MXenes需要在無氧、黑暗環境中冷凍儲存。與在水相中相比，MXenes在有機溶劑、空氣和固體介質中的氧化速率會慢一些。為了抑制MXenes的氧化速度，近年來，出現了許多抗氧化劑，例如L-抗壞血酸鈉。抗氧化劑的存在使得MXenes能不與溶解的氧氣和水分子直接接觸。如圖3所示，在加入L-抗壞血酸鈉的情況下，Ti3C2Tx在6個月后仍保持其制備后的外觀。然而，在沒有抗氧化劑的情況下，Ti3C2Tx被氧化、降解形成TiO2和碳[17]。

圖3 L-抗壞血酸鈉穩定的保存的Ti3C2Tx納米片示意圖

2.7 分散性

Maleski等詳細考察了薄層狀 Ti3C2在各種溶液中的分散性，并對溶液進行超聲分散，將分散時間為0、24、96 h的3組溶液進行對比。使用的有機溶劑可分為三大類別，包括極性質子溶劑：H2O、乙醇、甲醇；極性非質子溶劑：丙酮、乙腈(ACN)、二甲亞砜(DMSO)、N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、N-甲基吡咯烷酮(NMP)、碳酸丙烯酯(PC)；非極性溶劑：鄰二氯苯(DCB)、甲苯、己烷。研究結果表明：Ti3C2在DMSO、DMF、NMP、PC、乙醇和H2O中都能形成穩定的分散溶膠(圖4)。通過進一步對各溶劑性質進行分析和總結，發現Ti3C2在各種溶劑中的分散性依賴于溶劑的表面張力，Ti3C2可在表面張力大于40 mN/m的溶劑中形成穩定的溶膠[18]。

圖4 50% HF-刻蝕Ti3C2在12種溶劑中的分散情況示意圖

3 MXenes的制備方法

3.1 含氟化合物刻蝕法

這類方法主要通過刻蝕液侵蝕MAX相制備MXenes，刻蝕液中大都含有氟離子。例如，氟化氫銨、氫氟酸和鹽酸與氟化鋰的混合物等。

3.1.1氫氟酸刻蝕法

氫氟酸水溶液選擇性刻蝕MAX相中的A原子層制備MXenes是目前最常見的方法。Barsoum等[6]于2011年首次制備MXenes時就是使用氫氟酸刻蝕法制成。用氫氟酸水溶液刻蝕掉A原子層是因為M-A的金屬鍵與M-X的化學鍵結合力相比要更弱，更容易被打斷(圖5)。氫氟酸將Mn+1AXn中的A刻蝕后，得到含有終端官能團的多層Mn+1XnTx，其中終端官能團T常為-O、-F、-OH等基團[19]。通過氫氟酸刻蝕法制備MXenes的化學過程推測如下：

圖5 Ti3C2Tx的剝離過程示意圖

Mn+1AXn+3HF→AF3+Mn+1Xn+1.5H2

Mn+1Xn+2H2O→Mn+1Xn(OH)2+H2

Mn+1Xn+2HF→Mn+1XnF2+H2

這類制備方法并不高效，會存在蝕刻時間過長、蝕刻不均勻的現象。同時，長期使用高濃度的氫氟酸會對實驗人員的身體造成傷害。制備后的廢液中會殘留許多污染環境的高濃度化學物質，如未反應的氫氟酸溶液和析出的重金屬等，這些物質均會對環境和人體健康造成不良影響。

3.1.2氟化物制備法

科研人員通過不斷研究發現，化學性質更溫和的氟化氫銨(NH4HF2)可以代替氫氟酸作為刻蝕劑制備MXenes，制備出的MXenes展現出更好的熱穩定性。利用氫氟酸刻蝕Ti3C2，當溫度為200 ℃時就會產生TiO2；在使用NH4HF2蝕刻Ti3C2的過程中，當溫度達到500 ℃時才會有銳鈦礦TiO2生成；當溫度上升到650 ℃和900 ℃時，Ti3C2的表面盡管也會存在少量TiO2納米顆粒，但其自身結構保持完整，因此使用NH4HF2作為刻蝕劑時制備的Ti3C2具有更高的熱穩定性[7]。

Halim等[20]利用NH4HF2刻蝕Ti3AlC2薄膜，成功合成了Ti3C2Tx。經過表征對比發現，使用NH4HF2作為刻蝕劑可獲得層間距更加均勻的產物(Ti3C2Tx-NH4HF2)。由于NH4HF2的化學性質較溫和，致使刻蝕進程較慢且不徹底，導致MXenes的均一性受到影響。

Ghidiu等[14]采用氟化鋰鹽(LiF)和鹽酸(HCl)作為刻蝕液刻蝕Ti3AlC2中的Al，這種方法可一步同時完成插層和刻蝕。該實驗不僅可以獲取高產量的MXenes，還證明了只有同時存在質子和氟離子才可以成功制備出層狀MXenes。在蝕刻過程中，金屬鹵化物的存在會將陽離子(例如Li+)和水插入到MXenes中，使其層間距增大，削弱MXenes層之間的相互作用，使蝕刻反應進行得更加徹底。

3.1.3熔融氟化鹽法

早在2013年，Naguib等[21]將Ti3AlC2放置在LiF中于900 ℃下加熱制備TiCx，而后在550 ℃的氬氣下處理熔融混合氟化物中的Ti4AlN3，制備出部分結構損壞的Ti4N3。2016年，Urbankowski等[22]將Ti4AlN3與3種含氟易熔鹽(KF、LiF及NaF)在550 ℃、氬氣氛圍下熱處理30 min，制備了二維層狀過渡金屬氮化物Ti4N3，隨后用H2SO4去除雜質，經洗滌、離心得到樣品Ti4N3Tx。最后，加入四丁基氫氧化銨(TBAOH)在超聲條件下成功制備少層和單層Ti4N3薄片，如圖6所示。使用該方法的熱處理過程中會產生大量副產物，如K2NaAlF6、K3AlF6、AlF3等，因而需要增加額外工作去除這些含氟雜質，故其制備成本過高。

圖6 在550 ℃、氬氣下對T4AlN3進行熔鹽處理，然后用TBA剝離OH多層MXene來合成T4N3Tx的示意圖

3.1.4原位電化學合成法

Li等[23]以一種典型的MAX(V2AlC)為陰極，以21 mol/L的LiTFSI和1 mol/L的Zn(OTf)2混合溶液作為電解液，通過原位電化學法直接制備V2CTx。V2AlC在剝落過程中被限制在一個封閉的電池內，沒有任何泄露，因此是一種不涉及任何酸/堿的綠色工藝。所制備的鋅離子電池在倍率性能和容量方面均優于氫氟酸刻蝕產生的V2CTx。

3.2 無氟化合物刻蝕法

3.2.1酸/堿刻蝕法

Li等[24]采用NaOH輔助水熱法刻蝕Ti3AlC2制備Ti3C2Tx，具體過程如圖7所示。經研究發現，在低溫(或高溫)、低濃度NaOH溶液刻蝕時均不能獲得理想樣品，只有在高溫、高濃度NaOH溶液(270 ℃，27.5 mol/L)時才可將Ti3AlC2中的Al層剝離制備Ti3C2Tx，所得材料純度約92%，且電化學性能優于氫氟酸刻蝕制備的樣品。Wang等[25]通過DFT理論計算提出了一種可控的鹽酸輔助水熱刻蝕法，通過分階段高溫煅燒制備Mo2Ga2C，然后將其與濃鹽酸放入帶四氟乙烯內襯的反應釜中，在140 ℃下水熱反應5 d以刻蝕Mo2Ga2C制備Mo2CTx。

圖7 NaOH刻蝕制備MXenes示意圖

3.2.2電化學刻蝕法

有研究證明：Ti2CTx可以在鹽酸水溶液電解質中通過電化學刻蝕Ti2AlC來制備。所獲得Ti2CTx不以-F封端，而是以-Cl、-O和-OH基團封端。此外，可從MAX通過電化學過渡刻蝕得到碳化物衍生碳(carbide-derived carbon，CDC)[26]。Lukatskaya等[27]在三電極體系中，以Ag/AgCl為參比電極，以Pt為對電極，以MAX為工作電極，以3 mol/L的氯化鈉溶液作為電解液，可將Ti3SiC2、TiAlC2和Ti2AlC刻蝕成CDC，理論產率分別為12.3、12.3和8.9%。

3.3 化學氣相沉積法

化學氣相沉積法也是合成MXenes的主要方法之一。利用該法得到的MXenes具有較大的橫向尺寸和較少的晶格缺陷，有利于研究其內在特性。目前，利用該方法合成單層MXenes的研究較少，仍有待進一步研究[11]。

中科院沈陽金屬所任文才課題組采用化學氣相沉積法(chemical vapor deposition，CVD)制備出具有單層結構的二維MXenes。采用上層銅箔/底層鉬箔組成的雙金屬疊片作為基底，在甲烷氣氛、高溫條件下，通過催化裂解反應，使甲烷裂解后生成的碳原子與擴散到銅表面的鉬原子發生反應，生長出高質量、超薄的二維Mo2C晶體，其厚度僅為1.07 nm。由于其厚度非常薄，且韌性高、不易破損，因此具有很好的力學性質[28]。近日，該團隊利用CVD技術在非層狀氮化鉬(MoN2)中引入元素硅(Si)，用其鈍化非分層2D MoN2的表面，從而使得MoSi2N4以厘米級單層膜方式生長(如圖8所示)。由該方法制備的材料表現出優異的半導體性能和出色的穩定性[29]。

圖8 化學氣相沉積法制備Mo2N示意圖

4 MXenes在光催化領域的應用

4.1 光催化析氫

在過去的幾十年中，能源短缺和全球氣候變化已成為影響人類生活的全球性問題。眾所周知，由于H2具有清潔的燃燒產物(H2O)和更高的能量密度，因此是替代化石燃料的理想能源[30-31]。隨著科技的發展，制備H2的方法越來越多，主要方法包括水電解、煤氣化、電催化和光催化等[32-37]。由于H2具有可持續性和幾乎沒有二次污染的特性，因此光催化析氫這一方法具有光明的應用前景。MXenes和MXenes衍生的光催化劑析氫性能如表1所示。催化放氫反應在提供可持續能源和環境保護方面具有重要意義。

表1 基于MXenes和MXenes衍生的光催化劑析氫性能

有研究人員通過溶劑熱法制備了CdS/Ti3C2復合材料。受益于Ti3C2具有接觸面積大的優點以及CdS和Ti3C2之間的肖特基結，光催化效果最佳的復合材料(CdS/Ti3C2)比純相CdS的產氫率增加了7倍。不僅如此，其他金屬硫化物也已用于制備基于 MXenes 的復合材料[47]。Chen等[50]發現CdS/MoS2/Ti3C2復合材料的產氫率為9 679 μmol·g-1·h-1，這歸因于Ti3C2的導電性和層狀結構。在最近的研究中，Cheng等[48]采用溶劑熱法將CdLa2S4納米顆粒生長在Ti3C2納米片上，復合材料產氫率能達到11 182.4 μmol·g-1·h-1，是純相CdLa2S4的13.4倍。他們還發現，Ti3C2的引入可促進載流子的有效分離。上述這些研究表明，與單一半導體光催化劑相比，基于MXenes基光催化劑的產氫性能明顯增強。Han等[49]采用高溫煅燒法制備C-TiO2/g-C3N4，當Ti3C2與g-C3N4的質量比為10%時，制備的催化劑具有最高的產氫效率(1 409 μmol·g-1·h-1)，分別為純g-C3N4和C-TiO2的8倍和24倍。增強機制源于碳化物衍生碳摻雜TiO2與g-C3N4協同作用，促進了光生載流子的有效分離與遷移。

4.2 光催化固氮

當前，氨(NH3)是多種化學產品的大規模生產原料之一。尤其是在制備肥料的過程中，需要大量的合成氨。大氣中的N2是合成氨的來源之一，但由于N≡N三鍵的鍵能很大，穩定性高，將其斷裂需要較大能量，故傳統的合成氨工藝需要滿足極其苛刻的條件。另外，傳統的合成氨工藝能源消耗較大[51]。因此，在溫和條件下利用光催化技術還原N2合成NH3具有重要意義。在光催化固定N2的實驗過程中，MXenes是作為助催化劑的角色存在，這類材料也在光催化固氮方面表現出優異的性能。據報道，一種基于AgInS2納米顆粒和二維MXenes(Ti3C2)納米片復合而成的AgInS2/MXenes光催化劑具有Z型異質結結構，可在室溫條件下用于光催化還原N2。AgInS2/MXenes異質結是由于Ti3C2的獨特片狀結構形成的，具有出色的界面電荷轉移性能，效果最佳的復合材料在可見光下具有38.8 μmol·g-1·h-1的固氮效果[52]。Ti3C2不僅拓寬了光吸收范圍，還可作為N2吸附位點和光生電子的俘獲位點。同時，由于形成的異質結減少了載流子復合，故提高了光催化N2還原性能(如圖9所示)。Ti3C2基復合材料不僅表現出優異的穩定性，還表現出較強的固氮性能。總體而言，基于MXenes及其復合物應用于光催化固氮的應用實例不多，固氮產率有待提高。

圖9 半導體催化劑能帶位置(a)和光催化固氮過程中電荷分離與遷移示意圖(b)

4.3 光催化降解有機污染物

MXenes的光催化降解區域廣泛，可以去除多種水體中的有機污染物[53-54]。BiFeO3/Ti3C2光催化劑降解剛果紅的效果良好。原始的BiFeO3對剛果紅的光催化降解率約為35%。BiFeO3/Ti3C2在可見光的照射下，光催化降解剛果紅的去除率高達99%。圖10為BiFeO3/Ti3C2光催化劑的光催化降解機理示意圖[55]。

圖10 可見光照射下BiFeO3/Ti3C2降解剛果紅的光催化機理示意圖

目前，MXenes光催化降解方面的研究越來越多。近期，已有研究證明一些常見的抗生素、抗炎類藥物(例如鹽酸四環素、雷尼替丁和磺胺嘧啶等)均可被光催化降解。例如：Cai等[56]制備了具有肖特基結的Ag3PO4/Ti3C2光催化劑，通過研究發現Ti3C2的引入不但增強了Ag3PO4對鹽酸四環素的光催化性能(反應速率常數是Ag3PO4的10倍)，而且增加了其穩定性(催化劑循環8次對鹽酸四環素的去除率仍能達到68.4%)。Zou等[57]采用水熱法制備Ti3C2/MoS2，并將其用于水體中潛在致癌物雷尼替丁的降解，結果顯示Ti3C2/MoS2對雷尼替丁的降解率和礦化率分別為88.4%和73.58%，超氧自由基、空穴以及羥基自由基在反應中起到了關鍵作用。表2總結了MXenes和基于MXenes的二維異質結納米材料作為光催化劑降解有機污染物的相關信息。除了構建二元異質結外，新型的三元準核殼結構復合材料也被成功制備，例如In2S3/TiO2/Ti3C2Tx復合材料。它們顯示出優異的光催化性能，可降解甲基橙染料[58]。

表2 MXenes納米材料去除有機污染物信息

4.4 光催化還原CO2

隨著人類工業化的發展，對化石能源的消耗產生了大量的CO2，造成溫室效應，導致海平面升高，極端氣候現象頻發。為減少CO2的排放量，將CO2轉化為可用能源既可以解決環境危機，又可以改善能源短缺現狀，已成為當前重要研究課題。表3是MXenes作為助催化劑還原CO2的結果。

表3 MXenes作為助催化劑還原CO2的結果

Low等通過原位煅燒法在高導電性Ti3C2上生長TiO2納米顆粒，所制備復合材料(TiO2/Ti3C2)的CO2光還原產甲烷率比P25高3.7倍。研究人員用13CO2同位素測試結合原位紅外光譜，探討了TiO2/Ti3C2光催化還原CO2的機理，如圖11所示。Ti3C2的存在可以有效抑制TiO2的光生載流子復合。此外，TiO2/Ti3C2復合催化劑的特殊結構使其擁有較大的比表面積，能夠為催化反應提供較多的活性位點[74]。Saeed等[67]通過三步溶劑熱法制備Cd0.2Zn0.8S@Ti3C2，發現當Ti3C2擔載量為5 %時光催化還原CO2的性能最佳，此時CO和CH4的產率分別為3.31和3.51 μmol·g-1·h-1。MXenes在光催化還原CO2領域已經嶄露頭角，具有緩解大氣溫室效應的潛在可能。未來可考慮設計更多的MXenes材料，將其應用到大氣污染治理中來提高我國的大氣環境質量。

圖11 TiO2/Ti3C2復合材料光催化還原CO2的增強機理示意圖

4.5 光催化殺菌

海洋細菌和生物污染對海洋工業和海洋活動具有不良影響[75]，嚴重威脅著人類健康和環境安全，因此對海洋生物污染防治的研究十分重要。Ti3C2Tx作為MXenes的一員，具有比表面積大和親水性好的特點，對革蘭氏陰性菌和大腸桿菌具有很好的抗菌活性[76-77]。經研究發現，Ti3C2Tx的抗菌活性主要是“化學”和“物理”效應的協同作用，而在抗菌效果中起著至關重要作用的就是MXenes納米片間的物理相互作用[78]。由于MXenes納米片具有較大的比表面積和良好的親水性能，使其涂膜對有較好的除菌作用，同時可在水中作為抗生物污染膜的原料[79]，這主要是由于MXenes納米片具有較大的比表面積和良好的親水性[80]，可提高抗菌劑的溶解性，具有一定的吸附性。在加入金屬和金屬氧化物納米顆粒(如銀、鋅、銅)后，因金屬氧化物具有抗菌活性[81]，利用MXenes和金屬的協同作用使抗菌效果得到增強。抗菌劑的主要作用機理是金屬和金屬氧化物納米粒子產生的活性氧(ROS)直接與細菌的細胞膜結合，導致細菌細胞死亡。MXenes的存在增大了抗菌劑的接觸面積。例如，氧化亞銅(Cu2O)作為一種潛在的廉價殺菌劑具有廣泛的應用前景。在防污領域的應用方面，Cu2O不僅能有效殺滅細菌，還可在與細菌接觸時釋放銅離子并產生活性氧[82]。

5 結論

MXenes作為二維材料家族的新成員，因其獨特的結構、良好的導電性能、較大的比表面積而在諸多領域具有優勢，吸引了眾多學者研究其理化性質和應用。本文對MXenes的結構、理化性質、制備方法及其在光催化領域的應用進行了系統介紹。目前，MXenes基光催化劑的研究仍處于早期階段，未來研究中機遇與挑戰并存：

1)鈧、鉿、鈮、鉭等多種二維過渡金屬碳/氮化物等被預測能夠穩定存在，但它們的前驅體尚未產生，因此尋找其他層狀碳化物和氮化物前驅體對于擴展MXenes家族具有重要意義。

2)多數MXenes刻蝕過程會使用含氟化合物，而這或多或少會對人體和環境造成一定的危害，因而開發綠色、安全、高效、可擴展的合成方法至關重要。

3)調控MXenes表面終止官能團，開發具有除-O、-OH 或鹵素以外末端的 MXenes及在它們之間切換的方法。

4)目前只有為數不多的MXenes材料被應用于光催化領域，仍有許多MXenes材料的應用還需要研究，其性能也需要進一步提升。

MXenes作為新型二維明星材料，在環境與能源領域的應用潛力是巨大的，值得持續關注與研究。