近日,上海大學環(huán)境與化學工程學院石國升研究員團隊在納米科技領域期刊《Nano Letters》上發(fā)表題為“Organic Molecules Induce the Formation of Hopper-Like NaCl Crystals under Rapid Evaporation As Microcatalytic Reactors To Facilitate Micro/Nanoplastic Degradation”的研究論文。

我們?nèi)粘3缘氖雏},氯化鈉(NaCl),是最常見的離子晶體,通常在自然蒸發(fā)過程中呈現(xiàn)出立方晶體結構。該工作報告了在快速蒸發(fā)環(huán)境和有機分子的協(xié)助下,NaCl在金屬表面生長為漏斗狀晶體,可以作為一種微型反應器實現(xiàn)微塑料高效降解回用。

圖1?實驗過程示意圖?
理論計算和實驗結果表明,漏斗狀NaCl晶體的生長歸因于有機分子交替在{100}和{110}晶面之間進行吸附抑制生長而不是影響單一晶面。

圖2?漏斗狀NaCl晶體生長機理
基于生長機制的理解,研究團隊與中國科學院青海鹽湖所葉秀深研究員團隊合作成功在青海高原地區(qū)天然鹽湖中也發(fā)現(xiàn)了自然條件下形成的漏斗狀NaCl晶體,同時在實驗室實現(xiàn)了公斤級晶體的制備。該漏斗狀NaCl晶體作為微型催化反應器,可以高效的促進微塑料降解資源化,聚苯乙烯微塑料降解溫度從400 ℃大幅降低至275 ℃,液體產(chǎn)物中苯乙烯收率達到91.72 %。結合原位紅外測試結果和該團隊水合離子-π作用研究基礎,催化降解機理可以歸因于鹽中的Na離子與PS中的芳香環(huán)之間的陽離子-π作用,其減少了PS自由基的電子密度,降低了PS自由基的生成能壘,此外,在漏斗狀NaCl晶體階梯生長的凹陷內(nèi)部,暴露出更多具有高Na離子密度的{110}晶面,進一步增強了陽離子-π作用,更有利于微塑料的分解。

圖?3?漏斗狀NaCl晶體的PS降解和放大實驗
考慮到NaCl晶體的低廉成本以及漏斗狀晶體易于大批量制備,其為微塑料的高效降解提供了一種環(huán)保、低碳、綠色和經(jīng)濟的催化反應器,有望解決日益嚴峻的微/納塑料環(huán)境污染問題。
國家蛋白質(zhì)科學研究(上海)設施BL01B線站為NaCl晶體的原位紅外研究(變溫及時間分辨紅外)提供了技術支撐和機時支持。通過檢測甲醇C-O基團在~1050 cm-1處的伸縮振動峰值強度來研究甲醇的揮發(fā)速率;通過檢測不同溫度下聚苯乙烯苯環(huán)C-H?基團在~1450 cm-1和C=C基團在~1660 cm-1處的吸收峰強度和峰位的偏移來研究聚苯乙烯的降解反應。
論文鏈接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.4c05632