基于甲壳素负载二氧化钛复合海绵增强光催化降解聚苯乙烯微塑料的研究

针对水体中难降解的聚苯乙烯微塑料(PS MPs)污染问题，研究人员通过冻融法将TiO2纳米颗粒分散固定在甲壳素(Chitin)海绵基质中，构建新型ChTiO2复合光催化剂。该材料在6小时内实现58.4%的PS MPs降解率，并通过GC-MS鉴定出3种羰基化合物中间产物，为低成本、高效的光催化降解技术提供了理论支撑。

　　

随着塑料工业的快速发展，微塑料(Microplastics, MPs)污染已成为全球性环境挑战。这些直径小于5毫米的塑料颗粒广泛存在于水体、土壤甚至大气中，能通过食物链进入人体，诱发氧化应激、免疫功能障碍等健康风险。其中聚苯乙烯(PS) MPs因其稳定的高分子结构尤其难以降解。现有处理技术如吸附法存在成本高、易产生二次污染等问题，而传统光催化降解技术则面临效率低(如α-Fe₂O₃/g-C₃N₄仅9.94%降解率)、反应时间长(通常需12小时)等瓶颈。

针对这一难题，长沙理工大学的研究团队创新性地将二氧化钛(TiO₂)纳米颗粒分散固定在甲壳素(Chitin)海绵基质中，通过冻融法制备出ChTiO₂复合光催化剂。研究发现，这种三维多孔结构不仅为TiO₂提供了均匀分散的载体，其丰富的羟基和乙酰氨基还能通过氢键或范德华力固定TiO₂纳米颗粒。在紫外光激发下，材料产生的·OH和·O₂^-自由基可高效攻击PS分子链，6小时内降解率即达58.4%，远超同类研究(如Au@Ni@TiO₂的67%需12小时)。相关成果发表在《Applied Physiology Nutrition and Metabolism》上，为发展高效、低成本的微塑料治理技术提供了新思路。

研究团队主要采用以下关键技术：扫描电镜(SEM)和透射电镜(TEM)表征材料形貌，X射线光电子能谱(XPS)分析表面化学状态，气相色谱-质谱联用(GC-MS)鉴定降解产物，并结合一级反应动力学模型评估降解效率。

【结构表征】SEM显示ChTiO₂具有相互贯通的宏孔结构(图1)，TiO₂纳米颗粒均匀分布在孔壁表面，XPS证实Ti⁴⁺与甲壳素链形成配位键，这种结构有利于污染物扩散与光催化反应。

【降解性能】在紫外光下，含5wt% TiO₂的复合海绵对PS MPs降解效率最高，遵循一级动力学模型(k=0.198 h^-1)，6小时降解率达58.4%，较纯TiO₂提升约30%。

【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%)三种含羰基中间产物，表明PS分子链首先被自由基氧化断裂生成小分子有机物。

该研究证实甲壳素基质能有效提升TiO₂的光催化活性，其宏孔结构促进污染物传质，表面官能团则增强对TiO₂的固定作用。相比传统技术，这种复合材料兼具成本低(甲壳素来源于虾蟹壳)、环境友好等优势，为发展可持续的水处理技术提供了重要参考。特别值得注意的是，研究首次系统揭示了PS MPs光催化降解的中间产物演变规律，对完善微塑料风险评估体系具有科学价值。未来通过调控甲壳素结晶度或掺杂贵金属，有望进一步提升材料在可见光下的催化性能。