“当我们发现这种单原子铁催化剂不仅能降解塑料，还能继续用于稳定产生氢气时，真的让我们有点惊讶。”澳大利亚阿德莱德大学田文婕老师表示。
近日，她和课题组制备出一种催化剂，原本只打算让其用于塑料分解，但它在完成任务后还能直接用于“做别的事”——催化生成氢气。
“这让人感觉就像是意外地找到了催化剂的‘隐藏功能’，非常有趣。”她表示。
在中性 pH 条件之下，这种单原子铁催化剂表现出优异的催化活性和稳定性，超越了此前大多数微塑料处理方法，从而有助于推动微塑料污染控制和清洁能源生产。
具体来说，可以将单原子铁催化剂用于各种水环境（如河流、湖泊、海洋）中的微塑料污染处理，并适用于近乎所有的塑料类型，以及生活中常用的塑料产品。
同时，这一过程还为绿色氢气的生产提供了新途径，有望减少对于传统化石燃料的依赖，从而为发展氢能经济带来助力。
早已“无孔不入”的微塑料颗粒
塑料因其耐用性、多功能性、轻量化以及低廉的成本，已经成为人类生活中无处不在的存在。
塑料也能被轻易加工成纤维、薄膜和模塑部件等，并已被广泛用于包装、建筑和汽车工业中。
然而，塑料的大量使用也给环境保护和资源可持续带来了严重挑战，因为大部分塑料都是由石油资源制成，其所使用的石油占全球石油生产总量的 4% 到 8%。
自 20 世纪 50 年代以来，已有超过 83 亿吨塑料被制造出来，其中大约 80% 废弃塑料最终成为自然环境中的垃圾，并充斥在垃圾填埋场等地方。
对于塑料废物的不当管理和不当处置，会导致塑料累积在水体、土壤和空气等环境区域里，也会导致塑料累积在相关生物圈之中。
在物理、化学和生物等力量的共同作用下，塑料废弃物会发生水解、光降解、生物降解和机械磨损，进而逐渐分解为直径小于 5 毫米的塑料颗粒（即通常所说的微塑料）。
不仅如此，当人们在日常生活中使用各种塑料产品时，也会释放出微塑料颗粒。
比如，在高温下聚苯乙烯泡沫食品容器尤其容易释放微塑料颗粒。再比如，由聚丙烯、聚氯乙烯、低密度聚乙烯、高密度聚乙烯制成的塑料管材，在老化之后也会释放微塑料颗粒。
目前，在空气、土壤和海洋、湖泊、河流中，微塑料颗粒几乎已经“无孔不入”。
可以说，微塑料污染已经成为当前人类所面对的最持久和最广泛的人为威胁之一，预计其将长期存在于环境中，并将进入生态系统和人类食物链中，最终对全球环境产生连锁影响。
微塑料会对水生环境中和陆生环境中的生物产生毒性，同时也会产生或直接或间接的有害影响，关于此人们已有找到大量证据。
但是，由于微塑料不仅尺寸小而且肉眼不可见，因此几乎很难以手动方式去除或回收这些污染物。
为了寻找一款能够有效降解微塑料的催化剂，该课题组设计并合成了一系列催化剂，将铁、钴、锰、镍、铜等不同金属以单原子的形式负载在氮化碳上。
在验证这些催化剂的结构时，课题组使用了球差扫描透射电镜、红外光谱、X 射线吸收光谱测试等分析技术。
在性能测试阶段，他们在不同条件之下针对催化剂的微塑料降解效果加以测试。经过一系列的实验之后，他们发现铁基催化剂的塑料降解效果最好。
铁基催化剂结构表征结果
找到合适的催化剂之后，则要针对反应条件加以优化。为此他们进行多次实验，并针对反应温度和反应时间等加以调整，以便优化微塑料的降解效果。
在催化剂稳定性的研究上，该团队进一步分析了整个降解过程，以便验证该催化剂能否被多次重复使用以及效果是否稳定等。
之后，他们使用气相色谱-质谱联用技术，来研究机理研究，确定塑料降解之后所转化的化学物质。他们发现降解后的塑料大部分转化为 C3-C20 的有机化合物（主要是一些短链有机酸）。
于是，课题组将这些产物作为光催化产氢的原料，借此实现了资源的再利用。
概括来说，该团队开发出了一种利用单原子铁催化剂进行微塑料降解和微塑料升级转换的方法。
降解多种微塑料的性能表征结果
凭借高效的活性以及独特的原子分散性，单原子铁催化剂可以显著提高反应的效率和选择性。研究中，该催化剂能在相对温和的条件下降解超高分子量聚乙烯。
而之所以选择超高分子量聚乙烯作为研究对象，是因为它是最难降解的塑料之一，但却存在于一些常见用品比如塑料瓶和工业部件之中。
与此同时，这款催化剂在多次循环使用之后，依然能够保持高效的活性和稳定性。
这表明该催化剂在实际应用中具有良好的耐用性，能够被长期使用，故有助于实现工业规模的应用。
为了进一步验证这款催化剂的广泛适用性，他们还测试了多种常见塑料的降解效果。
实验结果显示：在相对温和的条件之下，这种单原子铁催化剂对于这些不同类型的塑料表现出优异的降解能力。
这说明该催化剂不仅限于某一种特定的塑料类型，而是具有很强的通用性和适应性，能够处理多种复杂的塑料废物。
此外，他们还深入研究了降解过程中所产生的中间产物，并对其开展产物分析，生态毒性分析和机理研究。
实验表明，这一反应的主要降解产物是短链有机酸，同时这些产物可以被进一步利用，例如可以作为光催化产氢的牺牲剂，从而实现废物的再利用，进而能够实现环境治理和资源利用的双重目标。
通过此，他们提出了一种串联催化微塑料降解与氢气生产的新策略，不仅为应对塑料污染提供了一种经济上可行的可扩展方案，还能够推动氢能经济的发展。
利用单原子铁催化剂进行微塑料降解产物的直接光催化产氢性能结构
对于塑料废弃物，这款催化剂展现出高效的降解能力，并具备将塑料转化产物升级为清洁能源氢气的潜力，从而能为控制和利用塑料废弃物提供一种具有成本效益的解决方案。
对于本次催化剂结构在特性和活性之间的关系研究，该团队通过实验表征和理论计算结合，揭示了单原子铁位点在反应中的作用机理。
这种对于催化机理的深入理解，为设计和优化类似催化体系提供了理论基础。
与此同时，审稿人认为需要在降解中间产物的生态毒性方面加以补充评估，以便进一步验证催化剂在复杂环境条件下的稳定性等。
完成补充实验之后，审稿人肯定了课题组在中间产物分析和生态毒性评估上的努力。即通过针对降解过程中产生的有机酸类产物进行化学分析，以及针对这些产物的潜在生态毒性进行评估，让整个降解过程的环境友好性得到了保证。
日前，相关论文以《分级多孔氮化碳负载的单原子铁催化剂用于微塑料降解和制氢》（Tandem microplastic degradation and hydrogen production by hierarchical carbon nitride-supported single-atom iron catalysts）为题发在Nature Communications[2]。
林靖恺是第一作者，阿德莱德大学的田文婕老师、张华阳老师和王少彬教授担任共同通讯作者。
总的来说，本次研究表明面对微塑料污染与能源问题，能够通过创新性的催化技术来进行有效解决。
未来，他们计划采用更加可持续的方法来合成并优化催化剂结构，以便进一步提升塑料降解效率和产物选择性。
此外，他们还希望通过扩大实验规模，来探索本次催化剂在实际应用中的可行性，并将尝试把这一催化体系用于更多类型的日常塑料污染处理之中。
参考资料：
1.WenjieTian, Pingan Song, Huayang Zhang, Xiaoguang Duan, Yen Wei, Hao Wang,& Shaobin Wang, Microplastic materials in the environment: Problem and strategical solutions,Progress in Materials Science, 132, 2023, 101035, https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2022.101035
2.Jingkai Lin, Kunsheng Hu, Yantao Wang, Wenjie Tian, Tony Hall, Xiaoguang Duan,
Hongqi Sun, Huayang Zhang, Emiliano Cortés & Shaobin Wang, Tandem microplastic degradation and hydrogen production by hierarchical carbon nitride-supppported single-atom iron catalysts,Nature Communications15, 2024, 8769. https://doi.org/10.1038/s41467-024-53055-1
运营/排版：何晨龙
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