塑料憑借其低制造成本與高耐用性，在醫(yī)療、航空航天、包裝等諸多領(lǐng)域占據(jù)重要地位。然而，隨著塑料的廣泛應(yīng)用，廢棄塑料問題日益嚴(yán)峻。目前，全球累計(jì)廢棄塑料量已飆升至64億噸，而中國(guó)作為全球塑料生產(chǎn)和消費(fèi)的第一大國(guó)，塑料制品行業(yè)年累計(jì)量超6000萬(wàn)噸，廢棄塑料量高達(dá)4300萬(wàn)噸。這些廢棄塑料對(duì)環(huán)境、生態(tài)系統(tǒng)以及人類健康構(gòu)成了威脅。在此背景下，光催化重整塑料技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，該技術(shù)通過太陽(yáng)光激發(fā)半導(dǎo)體材料將塑料分解轉(zhuǎn)化為高值化學(xué)品，兼具固廢再利用與能源轉(zhuǎn)化的雙重意義。
TiO?是經(jīng)典的半導(dǎo)體光催化材料。當(dāng)太陽(yáng)光照射TiO?晶體，光生空穴將與吸附的水分子反應(yīng)，生成的羥基自由基如同“分子剪刀”，能夠精準(zhǔn)切斷塑料的碳鏈骨架。然而，羥基自由基僅有約10ns的壽命，其遷移距離被限制在10-100納米范圍，短壽命的自由基，難以跨越反應(yīng)中微米級(jí)以上的相界面。故不得不借助腐蝕性強(qiáng)酸或強(qiáng)堿溶液預(yù)處理塑料，以增強(qiáng)光催化材料與塑料的界面接觸，但這個(gè)工序占據(jù)了整個(gè)流程近85%的成本。
針對(duì)上述挑戰(zhàn)，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所劉崗研究團(tuán)隊(duì)另辟蹊徑，發(fā)展了“漂浮策略”和“維度定制”相結(jié)合的新策略，通過在二維TiO?表面形成納米級(jí)碳氮疏水層，賦予了材料可漂浮于中性水溶液表面的特性。該材料具有傳統(tǒng)二氧化鈦所不具備的兩個(gè)功能，一是可漂浮TiO?材料形成了光催化材料、塑料、水和空氣的四相界面，將原本微米級(jí)的相界面壓縮至近零距離的分子級(jí)接觸（圖1）；二是不同于傳統(tǒng)的光催化重整材料體系主要是利用由光生空穴氧化水分子產(chǎn)生羥基自由基物種，可漂浮TiO?材料主要是利用光生電子還原氧氣產(chǎn)生超氧自由基作為氧化物種，其壽命長(zhǎng)達(dá)1ms，傳遞距離是傳統(tǒng)體系中羥基自由基的萬(wàn)倍量級(jí)（圖2）。進(jìn)而，所研制的可漂浮TiO?材料具有優(yōu)異的光重整塑料性能：在不依賴于腐蝕性溶液預(yù)處理的情況下，可實(shí)現(xiàn)典型塑料（包括聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯）的光重整效率1-2個(gè)數(shù)量級(jí)的提升，同時(shí)產(chǎn)生選擇性超過40%的高值乙醇產(chǎn)物，創(chuàng)造了中性條件下重整效率的新紀(jì)錄（圖3）。為解決塑料轉(zhuǎn)化過程中用腐蝕溶液處理塑料帶來(lái)的工業(yè)成本提供了極具競(jìng)爭(zhēng)力的替代方案。
該研究成果近期以“Floatable organic-inorganic hybrid-TiO? unlocks superoxide radicals for plastic photoreforming in neutral solution”為題發(fā)表于《Nature Communications》。特別研究助理姜夢(mèng)培博士為論文第一作者。
該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)博士后基金及新基石科學(xué)基金會(huì)資助。
圖1. 有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化TiO?的漂浮特性和氧吸附特性
圖2. 有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化TiO?的自由基傳遞新機(jī)制
圖3. 有機(jī)-無(wú)機(jī)雜化TiO?的光重整塑料性能
