Co3O4/g-C3N4纳米复合材料活化过氧单硫酸盐协同UVC高效光降解微塑料

本研究针对微塑料污染治理难题，开发了Co3O4/g-C3N4纳米复合材料作为PMS活化剂，在UVC照射下通过Z型异质结机制高效生成SO4•?、•OH等活性自由基，实现聚乙烯（PET）和聚丙烯（PP）微塑料54%和48%的降解率，为水体微塑料污染治理提供了新策略。

　　

随着塑料制品在全球范围内的广泛使用，微塑料（Microplastics, MPs）作为一种新兴污染物已对水生生态系统和人类健康构成严重威胁。这些尺寸小于5毫米的塑料颗粒不仅能在水体中持久存在数十年，还会吸附有毒有机物并通过食物链传递，最终在高等生物体内富集。更令人担忧的是，微塑料进入人体后可能积聚于肺部与肠道，引发物理、化学及微生物多重毒性效应。当前，开发高效降解微塑料的技术已成为环境治理领域的迫切需求。

传统的水处理技术难以有效分解微塑料的稳定高分子结构，而高级氧化工艺（Advanced Oxidation Process, AOP）因其能产生强氧化性自由基，被证明是降解难降解污染物的有效手段。其中，过氧单硫酸盐（Peroxymonosulfate, PMS）活化技术因其氧化能力强、pH适应范围广等优势受到关注。近期研究表明，钴基纳米材料（如Co₃O₄）与石墨相氮化碳（g-C₃N₄）构成的复合材料能通过光催化协同PMS活化，显著提升微塑料降解效率。在这一背景下，伊朗伊斯兰阿扎德大学的研究团队通过构建Co₃O₄/g-C₃N₄纳米复合材料，系统探究了其在UVC照射下对聚乙烯（PET）和聚丙烯（PP）微塑料的降解性能与机制，相关成果发表于《Desalination and Water Treatment》。

本研究的关键技术方法包括：通过溶剂热法结合煅烧制备具有六方结构的g-C₃N₄载体，并利用ZIF-67衍生的Co₃O₄在其表面生长形成异质结复合材料；采用X射线衍射（XRD）、场发射扫描电镜（FESEM）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）和紫外-可见漫反射光谱（UV-Vis DRS）对材料结构、形貌及光学性质进行表征；在实验室模拟体系中（微塑料浓度2.5 g/L），通过控制催化剂投加量（0.2-1.0 g/L）、PMS浓度（0.2-1.0 g/L）、pH（3-11）等参数，评估降解效率，并通过自由基淬灭实验验证活性物种贡献。

结构表征

XRD图谱显示复合材料中Co₃O₄的典型衍射峰（2θ=13.64°-65.26°）与g-C₃N₄的（100）和（002）晶面峰（12.49°、27.28°）共存，证实成功构建异质结。FTIR谱中575 cm^?1处的Co-O键振动峰与810-1650 cm^?1区间的C-N键特征峰进一步验证组分协同。FESEM图像显示复合材料呈多孔结构，降解后微塑料表面出现明显裂纹和尺寸缩减，表明材料与污染物间存在有效相互作用。

光催化降解性能

在UVC（256 nm）照射下，单独PMS或光照仅引起微塑料15%的质量损失，而Co₃O₄/g-C₃N₄/PMS体系在48小时内对PET和PP的降解率分别达54%和48%。对比实验表明，该体系性能优于多数已报道的光催化剂（如TiO₂、ZnO等）。优化条件下（催化剂1.0 g/L，PMS 0.6 g/L，pH=7），降解效率随反应物浓度提升而增加，但过高微塑料浓度（5.5 g/L）会因自由基分摊效应导致效率下降至22%。

反应机制解析

UV-Vis DRS显示复合材料吸收边位于492 nm，带隙为2.77 eV。能带结构分析表明g-C₃N₄（E_CB=-1.08 eV，E_VB=1.60 eV）与Co₃O₄（E_CB=1.40 eV，E_VB=3.30 eV）可形成Z型异质结，促进光生电子-空穴对分离。自由基淬灭实验证实SO₄•^?和•OH是降解主导物种，其生成途径包括Co²⁺/Co³⁺循环活化PMS（生成SO₄•^?与•OH）以及光生电子还原O₂产生•O₂^?。反应过程中，微塑料经自由基攻击逐步裂解为小分子中间体，最终矿化为CO₂和H₂O。

本研究成功构建了Co₃O₄/g-C₃N₄纳米复合材料，通过Z型异质结机制协同UVC/PMS体系高效降解微塑料，揭示了自由基主导的降解路径。该策略为水体微塑料污染治理提供了新材料设计思路和技术参考。然而，研究尚未评估实际水体基质（如盐度、有机质）的干扰效应及催化剂的长期稳定性，后续需围绕实际应用场景优化材料性能与工艺条件。此外，钴资源的环境负担问题也提示未来应探索低毒替代金属或催化剂回收策略，以推动该技术的可持续发展。