掺铁碳纳米管促进ZnO界面电荷积累，实现压电光催化微塑料升级过程中的选择性单线态氧生成

《Environmental Science & Technology》：Iron-Doped Carbon Nanotubes Facilitate ZnO Interfacial Charge Accumulation for Selective Singlet Oxygen Generation in Piezo-Photocatalytic Microplastics Upcycling

　　

摘要

由于活性氧物种的产生途径难以控制，且需要在催化转化之前对微塑料进行预聚反应，因此高效地利用催化作用对微塑料进行再利用仍然是一个挑战。在此，我们展示了在铁掺杂碳纳米管介导的氧化锌/碳氮化物异质结中通过界面能带工程，能够选择性地引导活性氧走向非自由基反应路径。这种具有N–Zn键合、C–O–Zn配位以及C–C共轭结构的ZCNCNFe纳米复合材料，可以形成一个结构上相互关联的平台，在过硫酸盐活化过程中动态调节界面电荷转移，从而使单线态氧成为主要的活性氧物种，其生成效率高达67.71 μmol/L。值得注意的是，通过一种新的双密度分离方法直接从市售洁面产品中提取的实际HDPE微塑料（约700毫克），在无需预聚反应的情况下就被选择性地氧化为含氧中间体（如羧酸和酯类），而非完全矿化（重量损失约为39.2%，总有机碳含量为14.06 mg/L），并且在压电光催化作用下还会出现明显的表面侵蚀和破碎现象。引入CNFe后，费米能级会发生重新排列，从而加速界面电荷向ZnO吸附位的流动，促进过氧键的极化和断裂，进而促使HSO₅^–发生自分解，生成单线态氧。这项研究建立了一种通过电荷转移调控来引导压电光催化系统中活性氧反应路径的框架，为微塑料的再利用提供了不同于传统自由基主导方法的新的思路。