无金属光催化剂gC3N4调控海洋可降解聚合物生物降解性的研究

针对海洋塑料污染治理难题，研究人员开发了基于无金属光催化剂石墨相氮化碳(gC3N4)的聚己内酯(PCL)复合材料。研究发现该材料在阳光照射下通过产生超氧自由基(?O2-)抑制微生物活性，从而可控调节塑料在海洋环境中的降解速率，为开发环境友好型可控降解海洋塑料提供了新策略。

　　

论文解读：

海洋塑料污染已成为全球性环境危机，预计到205年海洋中塑料垃圾总量将超过鱼类总量。传统塑料在海洋环境中难以降解，不仅威胁海洋生物生存，还会形成微塑料进入食物链。虽然可降解聚合物如聚己内酯(PCL)能通过微生物作用分解，但其不可控的降解速度限制了实际应用。更棘手的是，现有光催化调控技术多依赖含铜二氧化钛(TiO₂)，其强氧化性会损伤基材且存在金属累积风险。

针对这一系列问题，日本新能源产业技术综合开发机构资助的研究团队创新性地采用无金属光催化剂石墨相氮化碳(gC₃N₄)与PCL复合。不同于传统TiO₂产生强氧化性羟基自由基(?OH)，gC₃N₄在光照下主要生成温和的超氧自由基(?O₂^-)，既能抑制微生物生长又不会显著损伤塑料基材。研究人员通过熔融共混法制备复合材料，采用Xe灯模拟阳光照射评估抗菌性能，并通过海水浸泡实验比较不同光照条件下的降解差异。

在"材料选择与表征"部分，研究对比了普通gC₃N₄(CN-B)与热改性gC₃N₄(CN-T)的光催化性能。扫描电镜显示gC₃N₄均匀分散于PCL基质中，紫外可见光谱证实其保留了典型半导体特性。"抗菌性能评估"发现，含5% gC₃N₄的薄膜在Xe灯照射4小时后对大肠杆菌(E. coli)的抑菌率达90%，而荧光灯照射下无显著效果，证明其阳光响应特性。"海洋降解实验"显示，黑暗环境中含gC₃N₄与纯PCL的降解速率相当；但在光照条件下，gC₃N₄复合材料的降解速率降低40%，证实其可通过光照调控降解行为。

研究结论指出，gC₃N₄/PCL复合材料实现了三大突破：一是建立了无金属的光响应降解调控系统，避免重金属污染；二是利用阳光/黑暗的自然交替实现降解"开关"控制，特别适用于易丢失的渔具等海洋用品；三是温和的光催化机制延长了材料使用寿命而不影响最终降解性。这项发表于《Polymer Degradation and Stability》的研究为开发新一代环境友好型可控降解塑料提供了重要范式，其技术路线还可拓展至医疗植入物等需要精确控制降解时间的领域。未来研究将聚焦于优化gC₃N₄的能带结构，进一步提升其在弱光环境下的催化效率。