突破聚乙烯降解难题：固体碱协同 TiO2开启绿色新路径

为解决聚乙烯（PE）因惰性烃链难降解引发的环境问题，研究人员开展固体碱辅助 TiO2光催化降解 PE 的研究。结果表明该方法能提升降解效率，生成交替聚酮（APK）促进降解。这为塑料废物处理提供新策略。

　　在如今的生活中，塑料制品无处不在，而聚乙烯（Polyethylene，PE）作为其中的 “主力军”，广泛应用于薄膜、容器、管道等多个领域 。然而，它却给环境带来了巨大的难题。由于 PE 具有惰性的烃链，在自然环境中极难降解。据 2018 年联合国报告显示，每年有高达五千亿的聚乙烯产品被消耗，大部分未经妥善处理就被丢弃，传统的焚烧和填埋处理方式又会释放有毒物质，加剧环境污染，让本就严峻的环境问题雪上加霜。

为了攻克这一难题，来自台湾科技大学化学工程系、台湾大学绿色材料科学与技术先进研究中心等机构的研究人员开展了一项极具意义的研究，相关成果发表在《Polymer Journal》上。

在研究中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：一是制备复合薄膜，通过热压和滴铸法分别制备不同配方的聚乙烯（PE）复合薄膜；二是进行光催化降解实验，利用特定的 UV 交联器模拟光照条件，测试薄膜的降解性能；三是采用多种表征手段，借助衰减全反射 - 傅里叶变换红外光谱（ATR - FTIR）、X 射线光电子能谱（XPS）、扫描电子显微镜（SEM）等技术，对薄膜的结构、成分和形貌进行分析。

研究结果如下：

• TiO₂在碱性条件下对 LDPE 的光催化降解：研究人员在不同比例的 TiO₂添加到低密度聚乙烯（LDPE）薄膜中，发现随着 TiO₂添加比例增加，降解效率提高，但考虑到催化剂团聚和机械性能下降等因素，确定其最佳比例小于 5 wt%。实验对比了在碱性条件下处理和未处理的 LDPE - 1T 复合薄膜，经 800 h 紫外线照射后，前者质量损失达 87%，后者仅为 55.72%，证实碱性条件可提升 TiO₂光催化降解聚乙烯的效率。将薄膜制备方法改为热压并增加厚度后，添加固体碱 K₂CO₃的 LDPE - 5T - K 复合薄膜在 1200 h 光照后的降解效率为 58.30% ，高于未添加 K₂CO₃的薄膜，进一步表明固体碱能提高降解效率。
• LDPE 复合薄膜的表征：通过 SEM 观察发现，LDPE - 5T - K 复合薄膜在破裂处有大量 TiO₂和 K₂CO₃颗粒，SEM - EDS 分析确认了薄膜中相关元素的存在和分布，表明这些颗粒能有效降解聚乙烯薄膜。ATR - FTIR 光谱分析显示，碱性条件下的 LDPE - 5T - K 复合薄膜在紫外线照射后产生了交替聚酮（APK）结构，增加了羰基（C=O）含量，更易于降解。此外，热性能分析表明，复合薄膜与纯 LDPE 薄膜的热性能差异不大，意味着该光催化降解策略在商业聚乙烯产品中具有实际应用潜力。
• TiO₂在碱性条件下对 HDPE 的光催化降解：向高密度聚乙烯（HDPE）薄膜中添加 TiO₂和 K₂CO₃同样能提高其光催化降解效率。经 1200 h 紫外线照射后，HDPE - 1T - K 复合薄膜质量损失为 32.7%，而纯 HDPE 薄膜仅为 17.6%。SEM 观察到 HDPE - 1T - K 复合薄膜表面在 600 h 照射后严重受损，且破裂处有大量 TiO₂和 K₂CO₃颗粒。ATR - FTIR 光谱显示，HDPE - 1T - K 样品在紫外线照射后出现了交替聚酮、O - H 拉伸和 C=C 拉伸等特征峰，与 LDPE - 5T - K 样品结果相似。
• 光催化降解机制的验证：研究人员利用自由基清除剂实验证实，羟基自由基（?OH）是聚乙烯光催化降解体系中的关键自由基，捕获?OH 和空穴（h⁺）会显著抑制光催化降解反应。荧光技术测量发现，LDPE - 5T - K 复合薄膜在光催化降解过程中产生的?OH 浓度最高。UV - Vis 光谱和 XPS 分析表明，TiO₂与碱结合能有效生成 C=O，增强光催化降解效率。FTIR 分析不同辐照时间的 LDPE 和 HDPE 样品发现，HDPE 中相关功能基团的峰强度随辐照时间变化，且低于 LDPE，这解释了 HDPE 在 800 h 辐照后质量损失仅 17% 的原因。

综上所述，该研究通过一系列实验确定了 TiO₂在聚乙烯薄膜中的最佳比例小于 5%，证实了碱性条件和固体碱 K₂CO₃能显著提高 TiO₂光催化降解聚乙烯的效率。该研究不仅揭示了光催化降解的机制，还为聚乙烯类塑料废物的处理提供了一种简单、高效且环境友好的新策略，有望推动塑料回收领域的发展，在环境保护方面具有重要的意义。