二维Mxenes材料吸附脱除放射性核素研究进展

二维Mxenes材料吸附脱除放射性核素研
究进展
摘要：以Ti3C2为代表的过渡金属碳/氮化物(MXenes)，是一种新颖的二维材料。

MXenes具有大的比表面积、丰富的吸附位点和可调变的层间距，成为放射性
核素的良好载体。

本文综述了近年来MXenes材料的性质、制备技术及其对放射
性核素吸附去除的研究进展, 对相关的技术特点、吸附行为与相互作用机理进行
了系统梳理，最后对其发展趋势与挑战进行了展望。

关键词：二维; MXene; 放射性核素; 吸附; 环境修复
基金项目：东北林业大学大学生创新创业训练计划项目(S202210225047，202210225416)
作者简介：徐铭炜(2002-)，女，本科，研究方向为无机功能材料，
*****************；逯梓畅(2003-)，女，本科，研究方向为无机功能材料，
通讯联系人，*****************。

核能是一种高效清洁的能源，目前已在全世界得到广泛应用。

然而，核能在
提供电力的同时，也会产生大量放射性核素，主要包括235U、152Eu、90Sr、137Cs、140Ba和99Tc等。

它们因高水溶性、放射性强、半衰期长，会严重污染环境和威胁人类健康化[1]。

因此，有效去除水中的放射性核素迫在眉睫。

水中放射性核素的
去除方法主要有溶剂萃取法、吸附法、化学沉淀蒸发法、膜技术等[2, 3]。

其中
吸附法是最为高效经济的方法，但开发高吸附率和低成本的吸附剂仍是一项挑战。

已报道的放射性核素吸附材料主要有碳材料、MOFs、壳聚糖、分子筛、普鲁士蓝
等[4]，其他新材料仍在不断涌现。

MXene Ti3C2是一种二维过渡金属碳化物，已
被广泛应用在吸附脱除放射性核素领域。

1. MXenes材料的性质和制备技术
MXene Ti3C2是通过剥离或蚀刻产生的一种二维材料，具有化学稳定性，离子插层能力和表面强负电荷[5]。

MXene Ti3C2层结构具有大比表面积和丰富的官能团，对放射性核素具有很大吸附容量。

MXene Ti3C2的制备机理如下。

Ti3C2 (s) + H2O (l)→Ti3C2OH (s) + 1/2 H2 (g) (1)
Ti3C2(s) + HF (aq)→Ti3C2F (s) + 1/2 H2 (g) (2)
MXene Ti3C2的制备主要包括化学液相法、水热蚀刻法、电化学蚀刻法等。

化学液相法即基于HF的蚀刻方法，最常用的是湿法刻蚀。

采用50% HF对Ti3AlC2 MAX相母体处理，刻蚀掉Al层可产生类似手风琴形态2D Ti3C2T x MXene纳米片[6]。

电化学刻蚀是通过控制电位，利用氧化还原电势选择性刻蚀MAX相中的A
层元素。

通过控制电位进行以及选择合适的电化学刻蚀体系，既能实现MAX相的
选择性刻蚀，还可避免腐蚀性和毒性的氢氟酸的使用[7]。

高温熔盐法是基于熔
盐体系提供强极化力，使反应可以在分子原子尺度进行。

MAX相陶瓷被用作高温
熔盐反应堆材料时，碱金属氟盐的存在会引起A层元素腐蚀流失，导致MAX相材
料发生劣化[8]。

2. MXenes吸附放射性核素技术研究进展
环境中铀主要以Ｕ(Ⅵ)的铀酰离子(UO22+)存在。

MXene内部层空间有限，造
成铀的吸附受限，可通过水化插层扩大Ti3C2T x层间距，形成独特的多层结构，增强表面锚定官能团的相互作用。

改良Ti3C2T x对Ｕ(Ⅵ)的最大吸附量为214 mg/g，4.5 h吸附平衡[9]。

一种表面羟基化的Ti3C2 MXene材料纳米片对[UO2(H2O)5]2+
的吸附量可达595.3 mg/g，铀酰离子是以双齿配位的形式牢固结合在去质子化的
Ti3C2(OH)2表面[10]。

Ti3C2T x MXene作为水中放射性Cs+的吸附剂，室温下的最大吸附量为25.4
mg/g。

MXene对污染水体中Cs+离子的去除是由于其孔隙、层间空间可容纳Cs+离
子外，还有羟基、氟和氧基团等多功能相位点的影响。

利用Ti3C2T x MXene对模
型核废水中放射性Cs+的去除，与多孔活性炭相比，尽管多孔活性炭的比表面积
比MXene大，但Ti3C2T x MXene对Cs+的吸附容量比多孔活性炭的高，这是由于
Cs+的吸附主要是静电相互作用，而MXene表面带有大量负电荷[11]。

Ti3C2T x Mxene也具有对核废液中Ba2+和Sr2+的吸附能力[12]。

Mxene具有较高的表面负电荷，通过静电吸引吸附Ba2+和Sr2+，吸附量分别为180 mg·g−1和225 mg·g−1。

Ba2+和Sr2+的吸附是通过化学吸附、离子交换和内球络合机制实现的，最终可使用4个循环。

3. 结语及展望
Mxenes基放射性核素吸附材料具有环境友好、吸附容量大、化学稳定性等优点，但仍面临若干挑战：(1) 要考虑到MXenes插层剂的选择既能够对层进行有
效地支撑和分化，又不能破坏原有的结构和活性位；(2) MXenes吸附核素机理有待更深入研究；(3) 应迫切评价MXene潜在毒性，以拓展其在环境修复领域的应用范围。

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