可定制化3D打印碳化硅光催化剂：流动与静态条件下微塑料捕获与降解的创新解决方案

这篇研究报道了一种通过熔融沉积建模（FDM）技术3D打印制备的碳化硅（SiC）多孔光催化平台（3D-SiC），其独特的互联孔隙结构在静态和流动条件下均能高效捕获并降解微塑料（MPs）。该材料对聚苯乙烯（PS）微球展现出85%的去除率和4.2倍羰基指数（CI）提升，其机械稳定性和可重复使用性为实际水处理应用提供了新思路。

　　

1 引言

水生系统中的微塑料（MPs）污染已成为全球性环境挑战，传统处理方法面临回收困难、二次污染等问题。光催化降解技术虽能矿化MPs，但粉末状催化剂难以回收。本研究提出通过3D打印技术构建具有定制化结构的碳化硅（SiC）光催化平台，其多孔网络可同步实现MPs捕获与降解。

2 结果与讨论

2.1 3D-SiC的制备与表征

采用商用SiC-PLA线材，通过熔融沉积建模（FDM）技术打印成立方体和圆柱形结构，成本低于2美元。扫描电镜（FESEM）显示材料具有粗糙表面和均匀分布的Si、C、O元素。X射线衍射（XRD）证实材料以6H-SiC晶型为主，紫外-可见光谱显示其带隙为2.90 eV，可响应可见光。

2.2 光催化性能评估

以1.5 μm聚苯乙烯（PS）微球为模型污染物，在模拟太阳光下处理60小时后：

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  扫描电镜观察到PS表面出现孔洞和裂纹

• •

  红外光谱（ATR-FTIR）显示羰基峰强度增加4.2倍

• •

  连续流动实验中，圆柱形3D-SiC在120小时内仍保持降解活性

  自由基捕获实验和电子顺磁共振（EPR）证实羟基自由基（^•OH）是主要活性物种，其氧化作用导致PS链断裂并最终矿化为CO₂。

2.3 作用机制

光生电子-空穴对与H₂O/O₂反应生成^•OH，其通过以下途径降解MPs：

1. 1.

   攻击聚合物链形成含氧官能团

2. 2.

   引发链式反应导致材料脆化

3. 3.

   最终矿化为CO₂和H₂O

   独特的3D结构通过光诱导泳动效应增强MPs与催化剂接触。

3 结论

该工作首次将3D打印SiC用于MPs治理，其可定制结构、良好机械强度和循环稳定性（4次重复使用后效率未衰减）为实际水处理应用提供了新范式。未来可通过优化孔隙率和流动参数进一步提升性能。

4 实验方法

关键步骤包括：

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  使用BCN3D Epsilon打印机完成结构制备

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  通过气相色谱（GC）监测CO₂生成

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  采用MitoROS OH580荧光试剂盒定量^•OH

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  流动反应器流速设定为60 rpm

这项研究为发展可规模化应用的MPs治理技术提供了重要参考，彰显了3D打印功能材料在环境领域的巨大潜力。