用“水上行走鞋”代替二氧化钛

中国科学院金属研究所刘岗团队开发了“漂浮策略”与“层次定制”相结合的新策略，用“水上行走鞋”代替了二氧化钛，赋予了材料在中性溶液表面漂浮的特点，为解决塑料转化过程中用腐蚀性溶液处理塑料带来的工业成本提供了一个极具竞争力的替代方案。

日前，《自然-通信》发布了相关成果。

塑料因其制造成本低、耐久性高，在医疗、航天工程、包装等诸多领域占有重要地位。然而，随着塑料的广泛应用，废塑料的问题越来越严重。

目前，世界上累计废塑料数量已飙升至64亿吨，而中国作为世界上最大的塑料生产和消费国，每年累计塑料产品数量超过6000万吨，废塑料数量高达4300万吨。这些废塑料对环境、生态系统和人体健康构成威胁。在这种背景下，光催化和重塑塑料技术应运而生。该技术通过太阳光刺激半导体材料将塑料分解转化为高值化学品，兼顾固体废物再利用和能源转换的多重含义。

二氧化钛是一种经典的半导体光催化材料。当太阳光照射二氧化钛晶体时，光生空穴会与吸附的水分子发生反应，产生的羟基自由基就像一个“分子剪刀”，可以准确地切断塑料碳链框架。但羟基自由基的使用寿命只有10纳秒左右，转移距离限制在10。～100纳米范围，自由基寿命短，难以跨越反应。μm级以上的界面。因此，为了加强光催化材料与塑料的页面接触，必须使用腐蚀性强酸或强碱溶液进行塑料预处理，但该过程占整个过程成本的近85%。

针对上述挑战，团队采取了不同的方式，开发了“漂浮策略”与“层次定制”相结合的新策略。通过在二维二氧化钛表面形成纳米碳氮疏水层，产生的有机无机杂化结构类似于用“水上行走鞋”代替二氧化钛，赋予材料在中性溶液表面漂浮的特点。

这种材料具有传统二氧化钛所不具备的两个功能。第一，可漂浮二氧化钛材料构成了光催化材料、塑料、水和空气的四个相界面，将原本微米级的相界面压缩成近零距离的分子级接触，相当于在空气与水的交汇处建造了纳米反应工厂，使阳光、氧气、光催化材料和塑料实现零距离接触。

第二，与传统的光催化重组材料体系不同，羟基自由基物种主要由光生空穴氧化水产生。可漂浮二氧化钛材料主要利用光生电子恢复氧产生超氧自由基作为氧化物种，使用寿命长达1ms，超氧自由基作战半径扩大万倍，可以深入塑料分子“拆解”碳链。

因此，其研制的可漂浮二氧化钛材料具有优异的光重组塑料性能:在不依赖腐蚀性溶液预处理的情况下，可实现典型塑料(包括聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯)的光重组效率1。～随着两个数量级的增加，选择性超过40%的高值酒精产品同时产生，创造了中性环境下重组效率的新纪录，为解决塑料转换过程中用腐蚀性溶液处理塑料带来的工业成本提供了有竞争力的替代方案。