静电纺丝制备的Co?O?/CeO?中空纳米管活化过一硫酸盐光催化降解PET塑料：性能与DFT理论解析

《Journal of Environmental Management》：Electrospun Co 3O 4/CeO 2 hollow nanotubes for photocatalytic degradation of PET plastics with peroxymonosulfate activation: Performance and DFT insight

　　

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  通过静电纺丝法合成了中空纳米管形状的CeO₂/Co₃O₄催化剂。
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  具有中空纳米管形貌的p-n异质结增强了光吸收能力和表面积。
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  6小时后达到了82.7%的最优PET降解率。
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  密度泛函理论表明，Co-d-pDOS和Ce-f-pDOS的调制协同增强了分解效率。
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  使用从乌梁素海采集的水样评估了催化性能。

引言

聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）塑料凭借其优异的延展性和透明度，在许多领域发挥着至关重要的作用。PET的年产量高达7000万吨（Luo等人，2025），被广泛用于塑料食品薄膜和饮料瓶的生产，以及家用电器和精密仪器的制造（Wan等人，2024；Thakur等人，2023；Ho等人，2025）。然而，PET塑料的高化学稳定性已成为一把双刃剑——在自然环境中无法有效降解，当前的处置方法主要依赖填埋和焚烧（Wan等人，2023；Zhou等人，2022；Liu等人，2024）。传统处置方法不仅产生大量塑料废弃物，还会向水体中释放微塑料，威胁水生生物的健康。因此，开发高效的PET塑料回收技术迫在眉睫，因为当前的PET回收技术仍不够成熟。在环境保护与经济效益之间取得平衡颇具挑战（Wang等人，2025）。塑料的光催化降解是一种具有巨大潜力的绿色降解技术，但在短时间内实现高效降解仍然困难（Ya等人，2025；Zhang等人，2025）。为突破这一瓶颈，高级氧化工艺（AOPs）的协同应用提供了一种新的解决方案。过一硫酸钾（PMS）高级氧化技术通过电子或能量转移被激活，从而产生强氧化性的硫酸根自由基（SO₄^•?）（Wang等人，2026；Yan等人，2023），这些自由基可以通过亲电取代反应精确断裂PET分子中芳香环之间的化学键，使其结构不稳定，最终加速降解。这些特性使其成为处理PET塑料的理想氧化剂，为塑料降解技术的进步开辟了新的可能性。

作为一种典型的p-型半导体，Co₃O₄具有独特的理化性质和结构特征，在各种光催化反应中得到了广泛研究。然而，由于光生载流子的快速复合和相对较低的活性，纯Co₃O₄仍面临挑战。在各种解决方案中，Co₃O₄基复合材料的合理设计是解决这些问题的有效策略（Chen等人，2023a，Chen等人，2023b；Ma等人，2022）。特别是，基于Co₃O₄的p-n异质结提供了一种有效的手段，以提高半导体光催化剂中光生电子-空穴分离的效率。CeO₂是一种具有Ce³⁺/Ce⁴⁺氧化还原对的典型n-型半导体，目前引起了相当广泛的关注（Huang等人，2021a，Huang等人，2021b；Shen等人，2021；Zhao等人，2025）。因此，Co₃O₄/CeO₂ p-n异质结应被视为克服这些缺点并从而提高光催化活性的有前途的策略（Kaur等人，2023；Wu等人，2025；Li等人，2025；Zhou等人，2020；Zhang等人，2022）。

近年来，静电纺丝已被广泛采用，用于构建具有定制形貌和界面特性的高效复合光催化剂（Zhao等人，2018；Ding和Qiao，2022）。得益于其独特的制备机制，静电纺丝中空纳米管结构具有超高的比表面积、丰富的暴露活性位点和互连的多孔网络，可以有效地促进反应物的质量传递并加速光生电荷的扩散。此外，该策略能够在纳米尺度上实现双金属氧化物组分的均匀锚定和紧密界面耦合，有效地优化异质结界面结构，抑制光生电子和空穴的复合，并最大化复合材料的协同光催化和催化活化性能（Kim和Kim，2022；Zhu等人，2020）。在本工作中，通过静电纺丝制备了Co₃O₄/CeO₂超长中空纳米管复合材料，该材料在光照下表现出有效的PMS活化和PET降解性能。在3 mM PMS溶液中，6小时内PET的重量损失率可达82.7 ± 4.5%。同时，还研究了催化剂比例、PMS浓度、阴离子以及水中天然有机物的存在对光照下PMS光催化活化降解PET的影响。

章节摘要

材料与试剂

聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、氢氧化钠（NaOH）、硝酸铈（Ce(NO₃)₃·6H₂O）、六水硝酸钴（Co(NO₃)₂·6H₂O）、过一硫酸钾（PMS，2KHSO₅·KHSO₄·K₂SO₄）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP）由上海阿拉丁生化科技股份有限公司提供。所有化学品均为分析纯级别，未经进一步纯化直接使用。

催化剂合成

Co₃O₄/CeO₂复合催化剂的合成过程如图1a所示。通常，取一定量的

Co₃O₄/CeO₂催化剂的结构表征

如图1b所示，Co₃O₄/CeO₂在SEM图像中呈现出中空纳米管形貌和粗糙表面。交织的纳米纤维形成了交联网络。TEM图像显示Co₃O₄颗粒均匀分布在CeO₂中空纳米管的表面（图1c）。观察到的晶面间距为0.304 nm和0.143 nm的晶格条纹分别对应于CeO₂ (111)和Co₃O₄ (440)晶面（图1d–e）（Zhao等人，2021；Zhang等人，2022；Yu等人，2021

结论

总之，通过静电纺丝制备了中空纳米管Co₃O₄/CeO₂异质结催化剂。由于其中空管状结构、大的比表面积和丰富的暴露活性位点，该催化剂能够有效激活PMS用于PET微塑料降解。其催化活性在各种光催化反应条件下进行了评估。最佳CC-8催化剂在3 mM PMS条件下光照6小时后达到了82.7 ± 4.5%的PET重量损失。此外，该系统

CRediT作者贡献声明

李佳：撰写——原稿、方法论、形式分析、数据管理。萨雷什·马诺杰·贾德瓦：形式分析。张金瑞：方法论、形式分析、数据管理。史全全：撰写——原稿、资金获取。王义贵：形式分析。杨一坤：方法论。肖德全：撰写——审阅与编辑、概念化。李高：撰写——审阅与编辑、概念化。阿尔丰斯·拜克尔：撰写——审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争经济利益或个人关系，这些关系可能会影响本报告中所述的工作。

致谢

我们感谢内蒙古自治区自然科学基金（2026MS0797）、内蒙古农业大学创新创业训练（202510129044，02510129052）以及国家自然科学基金（22065029）的资助。

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