塑料污染是一个普遍存在且日益严重的问题，作为塑料污染中一个特别令人不安的方面，微塑料(MP，粒径小于5毫米的颗粒) 已经渗入环境，造成持续的生态挑战，因为它们的停留时间长、扩散速度快，而且容易被生物摄入。由于MP体积小且可见度有限，因此手动从环境中清除或回收它们实际上具有挑战性。包括交联剂、抗氧化剂或填料在内的复杂成分使现有（微）塑料的回收或升级再造变得更加复杂。
对于（微）塑料的升级再造，最近的研究探索了光催化电催化和光电化学方法来操纵MP，同时产生氢气 (H
2
)。然而，这些技术涉及用强酸或碱进行塑料水解的预处理，这可能会带来环境危害、安全风险，并且由于腐蚀性化学处理、废物产生和设备腐蚀而导致的高运营成本。此外，只有少数塑料，例如聚乳酸和聚对苯二甲酸乙二醇酯，易受水解过程影响，这限制了这些方法的适用性。作为另一种新兴策略，Fenton/类Fenton系统通过激活氧化剂，如过氧化氢(H
2
O
2
)或过氧单硫酸盐 (PMS)，在水热条件下产生活性氧 (ROS) 来降解MP，显示出良好的前景。这些ROS能有效激活塑料中的C–H键，适用于降解多种类型的MP
。然而，目前的研究受到非均相类Fenton催化中MP降解效率低、催化剂可回收性差的限制，以及均相Fenton体系中酸性条件恶劣（pH <3）且会产生铁废物而需要后处理的问题。此外，MP降解机理和降解中间体/产物的研究很少。
最近，单原子催化剂 (SACs) 凭借其最大限度的金属原子利用率和独特的金属-载体相互作用，彻底改变了塑料的升级回收。氮化碳 (CN) 是一种著名的半导体光催化剂，也是 SACs 的最佳载体，它提供了丰富的结合位点来固定单原子金属并形成金属-N
x
部分，从而赋予催化剂强大的反应性和化学稳定性。迄今为止，尚未探索基于CN的SAC 在 MP 降解和升级回收中的应用。
澳大利亚阿德莱德大学王少彬教授、张华阳、田文婕团队
介绍了一种串联催化MPD-HER工艺，该工艺使用分级CN负载的单原子Fe催化剂（FeSA-hCN）将MPs降解和光催化H
2
产出结合起来。具有Fe-N
4
位点的FeSA-hCN可有效激活 H
2
O
2
产生羟基自由基（•OH）来分解超高分子量聚乙烯（UHMWPE）。在中性pH条件下实现了几乎完全的 UHMWPE 降解，在6个循环（72小时）内具有显著的催化稳定性。在降解各种日常塑料产品中证明了其有效性。这种类Fenton系统，包括MP降解效率、催化剂稳定性和温和的 pH 条件，超越了现有文献中的其他系统。此外，实现了64%的高羧酸产物选择性，这可以诱导后续的太阳能驱动的H
2
产出过程。FeSA-hCN和UHMWPE降解产物的反应混合物显示H
2
释放速率为42 μmol h
-1
，超过大多数已报道的光催化塑料重整系统。
相关研究成果2024年10月10日以“
Tandem
microplastic degradation and hydrogen production by hierarchical carbon
nitride-supported single-atom iron catalysts
”为题发表在
Nature
Com
munic
ations
上。
高效的微塑料降解：
通过FeSA-hCN催化剂，实现了在中性pH条件下对UHMWPE的近完全降解，这是对现有技术的显著改进。
高选择性羧酸生产：
在降解过程中，实现了64%的选择性生产羧酸，这对于后续的太阳能驱动的氢气产生过程非常有利。
串联催化过程：
将微塑料降解和光催化氢气产生结合在一个过程中，提高了塑料废物的利用效率。
催化剂的稳定性和可回收性：
FeSA-hCN催化剂在多个循环中保持了稳定性，并且铁的浸出量极低，表明了其在实际应用中的潜力。
图1.塑料的消耗、释放和微塑料升级再造的新策略
图2.催化剂的合成和结构表征
图3.UHMWPE MPs在类Fenton反应中的水热降解
图4.可回收性、稳定性和适用性评估
图5.反应机理研究和产品鉴定
图6.利用反应产物混合物光催化产氢
这项研究提出了一种使用FeSA-hCN催化剂的串联催化 MPD-HER 工艺，用于可持续塑料管理和可再生氢气生产。FeSA-hCN中的Fe-N
4
位点可以有效激活H
2
O
2
产生•OH来分解UHMWPE，导致C-C键断裂，在诱导期内引入酮官能团（C=O），并在含C=O碳链上形成羟基（-OH）基团，从而生成羧酸（R-COOH）。在中性pH条件下，UHMWPE 降解效率可达到超高，在实际水体和日常生活中的一次性塑料（如袋子、饮水瓶和外卖盒）中仍能保持出色的催化效率。在光照下，以有机UHMWPE降解产物为牺牲剂，水为氢源，降解体系中剩余的FeSA-hCN可诱导串联光催化产氢。这项工作展示了现实世界塑料废物的有效降解，并体现了利用塑料转化产物制氢的潜力，为未来塑料废物管理和能源生产提供了一条有希望的途径。未来的研究将集中于克服实际应用障碍、拓宽可降解塑料的范围以及进一步优化工艺的效率和选择性。
来源：
科学前沿阵地、生化环材BCEMers
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