基于TiO2/甲壳素复合海绵的光催化降解聚苯乙烯微塑料：高效去除水环境新兴污染物的新策略

针对水体微塑料（MPs）污染难题，研究人员通过冻融法将TiO2纳米颗粒锚定于甲壳素（Chitin）海绵基质，开发出新型ChTiO2复合光催化剂。该材料在6小时内实现58.4%的聚苯乙烯（PS）MPs降解率，并解析出含羰基降解产物的分子机制，为水环境MPs治理提供了低成本、高效能的技术方案。

　　

在塑料工业飞速发展的今天，微塑料（MPs）已渗透至地球所有水域，甚至通过食物链进入人体器官。聚苯乙烯（PS）因其高分子量和稳定结构成为最难降解的MPs之一，现有光催化技术普遍面临降解效率低（如α-Fe₂O₃/g-C₃N₄仅9.94%）、反应时间长（需12小时）等瓶颈。

针对这一挑战，长沙理工大学的研究团队创新性地将TiO₂纳米颗粒通过冻融法分散固定于甲壳素海绵基质，构建出具有分级多孔结构的ChTiO₂复合光催化剂。通过SEM和XPS分析证实，TiO₂通过范德华力或氢键紧密锚定在甲壳素骨架上，其分散度显著影响光催化活性。在紫外光照射下，该材料对PS MPs的6小时降解率高达58.4%，远超传统TiO₂（44.66%）和Au@Ni@TiO₂（67%）等催化剂。GC-MS检测发现三种含羰基降解产物，揭示·OH和·O₂^-自由基攻击苯环的断链机制。

关键技术方法
研究采用冻融法制备ChTiO₂复合海绵，通过SEM/TEM观察微观形貌，XPS/XRD分析化学状态，FTIR和GC-MS追踪降解产物。以1μm PS微球为靶标，在自制光反应器中评估降解效率，结合一级动力学模型量化反应速率。

研究结果

1. 结构表征：SEM显示ChTiO₂具有贯通大孔结构（图1f-j），TiO₂均匀分布在20-50nm区间，XPS证实Ti-O-C键的形成增强界面结合力。
2. 降解性能：最优组ChTiO₂-3在6小时降解率达58.4%，动力学常数k=0.176 h^-1，较纯TiO₂提升3.2倍。
3. 机制解析：GC-MS检测到苯乙酮（3.26%）、苯甲酸（23.7%）和苯甲醛（30.2%）三种产物，FTIR显示C=C键（1600 cm^-1）强度随降解减弱。

结论与意义
该研究开创性地将生物质材料甲壳素与半导体TiO₂结合，通过优化界面相互作用实现高效MPs降解。相较于贵金属修饰催化剂（如Au@Ni@TiO₂），ChTiO₂兼具成本优势（原料来自蟹壳）与生态安全性（无重金属溶出）。成果为发展基于生物多糖的绿色水处理技术提供理论支撑，相关技术已申请中国发明专利（ZL2024XXXXXX）。未来可通过掺杂氮化碳（g-C₃N₄）等窄带隙材料拓展可见光响应范围，推动实际应用。