共同第一作者：张胜波，李鹏辉，胡琪琨
通讯作者：刘景富，牛志强
通讯单位：江汉大学，清华大学
DOI：https://doi.org/10.1002/adma.202508428
天然海水中微塑料（MPs）因痕量浓度与化学惰性特性，实现原位直接降解面临巨大挑战。本研究提出一种双原子锌功能化碳球催化剂，可在天然海水环境中同步捕获并降解聚酯类微塑料。其作用机制为：首先催化剂表面碳层通过多种非共价相互作用富集微塑料，随后在双原子锌位点作用下断裂为可生物降解的小分子，将聚酯微塑料的降解周期从数十年缩短至数十周。该催化剂在多介质水环境中均展现出潜在普适性，为现实各种水体场景下的微塑料污染治理提供了新的技术路径。
微塑料（MPs）在水环境中广泛分布，已对生态系统及人类健康构成严重威胁。为遏制其污染扩散，基于吸附剂捕获的技术方案被广泛提出。然而，吸附剂饱和后的处置、更换与再生仍是制约该技术应用的关键瓶颈。此外，实验室中采用的高级氧化工艺因需高温/高压或强氧化剂等严苛条件，难以直接适用于自然环境。
1. 构建了一种双原子锌功能化碳材料（Zn-NC），锚定在氮掺杂碳（NC）基质上的双原子锌位点可作为浮体表面涂层直接应用于水体环境。
2. 基于多种非共价相互作用（氢键、疏水相互作用和π-π相互作用），这种Zn-NC可实现水体中微塑料的快速捕获与富集。
3. 双原子锌位点在水体中可促进μ-OH物种的产生，有效加速了聚酯在真实海水中的水解，在15周内转化率高达70%。
4. 评估了溶解的有机物（DOM）和竞争阴离子对水解活性的影响，意外发现高浓度的DOM和Cl-对水解活性有促进作用。
要点1：
采用前驱体介导热解法合成了双原子锌功能化的碳材料（Zn-NC）。结合SEM、TEM、ICP、XRD和DRIFTS，证实了Zn以原子级分散形态均匀分布在碳球中。球差电镜观察到亮点成对出现，表明了双原子锌位点的形成，平均距离约为0.30 ± 0.05 nm。基于TOF-SIMS和EXAFS的深度表征，进一步观察到 [Zn2N4O2]+特征碎片峰，明确了双原子锌位点的精细配位环境。
要点2：
首先，在pH 8的弱碱性水溶液中评估了Zn-NC对PET解聚的催化活性，与其它含Zn催化剂进行对比，结果表明双原子Zn催化剂对PET水解具有明显优势和决定性作用。通过AST和ICP分析证实，Zn-NC在循环过程中几乎没有金属流失现象，具有优异的结构稳定性。DFT计算显示，在弱碱性环境（pH 8）下，会形成由羟基（μ-OH）桥接的的Zn1-O(H)-Zn2的配位结构，有利于Zn位点对聚酯塑料的吸附和对酯基中羰基的激活。水体中杂质阴离子（NO3-、SO42-、I-、CO32-、Br-等）和DOM对催化活性的潜在影响研究发现阴离子对活性的负面影响较小，其中高浓度DOM和Cl-对水解活性甚至有促进作用。
要点3：
将Zn-NC催化剂作为浮标或漂浮物的表面涂层，应用于真实海水中，发现海水中的微塑料在涂层表面快速富集，并在十分钟内吸附饱和，实验表明这主要归因于氢键、疏水相互作用和π-π相互作用。在真实海水环境下，约70%的PET在15周内降解为单体，而没有Zn-NC的对照组没有检测到PET降解，说明PET催化降解完全来自于Zn-NC。
要点4：
环境影响评估揭示微塑料在水环境中具有多维度生态风险：1）作为多氯联苯、抗生素抗性基因（ARGs）等污染物的载体，促进其跨介质迁移；2）提供微生物附着界面形成生物膜，加速污染物-微生物复合迁移；3）沉降沉积相威胁底栖生态系统；4）碎片化生成纳米塑料（<1 μm）导致毒性倍增—环境浓度PET MPs（2 mg/L）无显著毒性，而纳米塑料（0.5 mg/L）即可引发细胞毒性、遗传毒性及生长抑制；5）经生物摄食进入食物链，最终生物累积至人体，构成生态与健康双重威胁。而利用Zn-NC将MPs转化为TPA和EG，TPA和EG浓度远低于NOEC（no observed effect concentration）浓度，大大降低微塑料对生态系统和人类健康的危害。
本研究证实了利用双原子锌功能化的碳材料可实现真实海水中聚酯微塑料的原位捕获和降解。相较于其它吸附剂，通过环境条件下的原位降解，解决了后续更换、处置和再生的难题。该方法也可以扩展到对其它聚酯微塑料的降解，基于此开发的Zn-NC涂层浮体适用于自然水体、塑料回收设施、海上光伏电站等场景。也可应用于饮用水生产和废水处置的预处理步骤。
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