塑料憑借其低制造成本與高耐用性，在醫療、航空航天、包裝等諸多領域占據重要地位。然而，隨著塑料的廣泛應用，廢棄塑料問題日益嚴峻。目前，全球累計廢棄塑料量已飆升至64億噸，而中國作為全球塑料生產和消費的第一大國，塑料制品行業年累計量超6000萬噸，廢棄塑料量高達4300萬噸。這些廢棄塑料對環境、生態系統以及人類健康構成了威脅。在此背景下，光催化重整塑料技術應運而生，該技術通過太陽光激發半導體材料將塑料分解轉化為高值化學品，兼具固廢再利用與能源轉化的雙重意義。
TiO?是經典的半導體光催化材料。當太陽光照射TiO?晶體，光生空穴將與吸附的水分子反應，生成的羥基自由基如同“分子剪刀”，能夠精準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，難以跨越反應中微米級以上的相界面。故不得不借助腐蝕性強酸或強堿溶液預處理塑料，以增強光催化材料與塑料的界面接觸，但這個工序占據了整個流程近85%的成本。
針對上述挑戰，中國科學院金屬研究所劉崗研究團隊另辟蹊徑，發展了“漂浮策略”和“維度定制”相結合的新策略，通過在二維TiO?表面形成納米級碳氮疏水層，賦予了材料可漂浮于中性水溶液表面的特性。該材料具有傳統二氧化鈦所不具備的兩個功能，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，將原本微米級的相界面壓縮至近零距離的分子級接觸（圖1）；二是不同于傳統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生超氧自由基作為氧化物種，其壽命長達1ms，傳遞距離是傳統體系中羥基自由基的萬倍量級（圖2）。進而，所研制的可漂浮TiO?材料具有優異的光重整塑料性能：在不依賴于腐蝕性溶液預處理的情況下，可實現典型塑料（包括聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯）的光重整效率1-2個數量級的提升，同時產生選擇性超過40%的高值乙醇產物，創造了中性條件下重整效率的新紀錄（圖3）。為解決塑料轉化過程中用腐蝕溶液處理塑料帶來的工業成本提供了極具競爭力的替代方案。
該研究成果近期以“Floatable organic-inorganic hybrid-TiO? unlocks superoxide radicals for plastic photoreforming in neutral solution”為題發表于《Nature Communications》。特別研究助理姜夢培博士為論文第一作者。
該研究得到了國家自然科學基金委、中國博士后基金及新基石科學基金會資助。
圖1. 有機-無機雜化TiO?的漂浮特性和氧吸附特性
圖2. 有機-無機雜化TiO?的自由基傳遞新機制
圖3. 有機-無機雜化TiO?的光重整塑料性能
