基于TiO2/甲壳素复合海绵的光催化降解聚苯乙烯微塑料机制研究及其环境应用

针对水体微塑料(MPs)污染治理难题，研究人员通过冻融法将TiO2纳米颗粒固载于甲壳素海绵(ChTiO2)，开发出兼具高效吸附与光催化功能的复合材料。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，为环境污染物治理提供了新型解决方案。

　　

随着塑料产业的迅猛发展，微塑料(Microplastics, MPs)污染已成为全球性环境危机。这些直径小于5毫米的塑料颗粒不仅遍布海洋、淡水和土壤系统，更通过食物链进入人体，在血液、肺部甚至大脑中检出。其中聚苯乙烯(PS) MPs因其稳定的苯环结构和高分子量，成为最难降解的污染物之一。传统处理方法如吸附法存在成本高、易造成二次污染等问题，而光催化技术虽能彻底矿化MPs，却面临降解效率低(普遍低于50%)、反应时间长(通常需12小时以上)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二氧化钛(TiO₂)纳米颗粒与甲壳素海绵复合，开发出具有分级多孔结构的ChTiO₂光催化材料。通过冻融循环法构建的三维网络，不仅解决了纳米颗粒易团聚的难题，还显著提升了材料对PS MPs的捕获与降解效率。相关成果发表在《Aquaculture》期刊，为水体微塑料治理提供了新思路。

研究采用扫描电镜(SEM)、X射线光电子能谱(XPS)等技术表征材料结构，通过气相色谱-质谱联用(GC-MS)分析降解产物。关键发现包括：TiO₂通过范德华力与甲壳素β-(1→4)糖苷键稳定结合；优化的0.5% TiO₂负载量使比表面积达48.6 m²/g；降解过程符合一级动力学模型，·OH自由基是主要活性物种。

【结构表征】SEM显示复合材料具有10-50μm贯通孔道，TiO₂纳米颗粒均匀分散于甲壳素纤维表面。XPS证实Ti⁴⁺与甲壳素羟基形成配位键，使材料在10次循环后仍保持92%效率。

【降解机制】光照下TiO₂产生e^--h⁺对，与H₂O反应生成·OH自由基攻击PS分子链。GC-MS检测到苯乙酮、苯甲酸等3种含羰基中间体，证实了β-断裂主导的降解路径。

【性能优势】相较于传统粉末催化剂，ChTiO₂的立体网络结构使光利用率提升3倍，6小时降解率达58.4%，较同类研究缩短50%时间。材料在pH 3-11范围内保持稳定，适用于不同水体环境。

该研究首次将甲壳素生物材料与半导体光催化技术结合，突破了MPs治理中效率与成本的"双瓶颈"。提出的"吸附-降解协同"机制为开发环境友好型净化材料提供了理论支撑，其模块化设计更便于实际污水处理工程应用。未来通过调控TiO₂晶型或构建Z型异质结，有望进一步拓展材料在可见光区的响应范围。