近日，国际权威刊物《美国科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，PNAS）在线发表了我院林思劼教授团队的研究论文“In situ turning defects of exfoliated Ti3C2 MXene into Fenton-like catalytic active sites”。林思劼教授为该论文的唯一通讯作者，我院直博生姜越（现博士后）为唯一第一作者，该工作还得到香港浸会大学梁士贤教授团队、中科院高能物理研究所王黎明副研究员团队、同济大学盛闻超教授团队、中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所金山博士以及上海同步辐射光源BL14W1线站的大力支持。本研究得到了国家自然科学基金委、国家重点研发计划和中央高校基本科研业务费专项资金资助。
成果简介
该研究提出了一种巧妙利用MXene本征表面缺陷和丰富过渡金属源原位构筑类芬顿纳米复合催化剂的新策略。文章以剥层Ti3C2 MXene作为模板，可控制备了一系列无定形碳负载的高密度TiO1.47纳米团簇（TiO1.47@C），揭示了钛基类芬顿催化剂活化H2O2降解阿特拉津的反应机制，实例论证了二维纳米材料“Safer-by-design”的实现路径，为内分泌干扰物和抗生素类新污染物的高效治理提供了新策略。
研究开发了一种新型的H2O2湿法氧化工艺。以Ti3C2 MXene为模板，利用其刻蚀过程中形成的本征Ti缺陷与H2O2发生强烈的氧化还原反应，原位生成无定形碳负载的高密度TiO1.47纳米团簇（TiO1.47@C）。通过改变H2O2的浓度和作用时间筛选最优的制备条件（10 mol·L−1 H2O2, 30 min），同时达到最大的样品产率（> 97%）。进一步通过DFT理论计算证明了Ti3C2 MXene表面的Ti缺陷是形成TiO1.47纳米团簇的关键反应活性位点，该纳米团簇具有丰富的表面缺陷且体系中存在Ti多价态共存现象（平均价态为+2.94）。基于X射线吸收精细结构谱（EXAFS）的成键变化分析得出，合成过程中H2O2原位氧化所导致的Ti-C-Ti键的断裂和Ti-O键的形成是该纳米团簇原位合成的关键。通过Ti元素的价态变化高效活化H2O2实现了多种典型新污染物（如阿特拉津、四环素、对硝基苯酚等）的高效降解。
该方法具有较好的普适性，适用于多种MXene家族材料，包括V2C、Nb2C等。该研究拓宽了MXene家族材料的环境应用潜力，在高活性催化纳米团簇原位合成的同时实现了纳米团簇在碳基板上的复合锚定，有效降低了使用过程中因材料泄漏所带来的潜在环境风险。
论文链接：
https://doi.org/10.1073/pnas.2210211120
