《Talanta》：Photocatalytic Degradation of Microplastics: From Efficiency Assessment to Rational System Design
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微塑料光催化降解缺乏标准化分析流程，导致研究结果碎片化且难以比较。本文提出首个分析驱动框架，系统分解环境/操作参数、催化剂特性、聚合物特征及表面相互作用等关键因素组，并分析其对显微、光谱、色谱及热分析等技术的适用性及可靠性影响。该框架为设计更严谨可比的实验研究提供路线图，促进光催化系统在微塑料治理中的实践应用。
萨拉·阿斯克罗娃（Sara Askerova）| 艾赞·科伊希贝科娃（Aizhan Koishybekova）| 伊拉达·卡兹贝科娃（Irada Kazbekova）| 阿扎尔·穆卡舍娃（Azhar Mukasheva）| 巴图汗·塔蒂卡耶夫（Batukhan Tatykayev）| 阿尔马古尔·门特巴耶娃（Almagul Mentbayeva）| 詹多斯·沙拉巴耶夫（Zhandos Shalabayev）| 萨帕尔贝克·图格尔贝克（Saparbek Tugelbay）| 娜塔莉亚·汗（Natalya Khan）
哈萨克斯坦阿斯塔纳卡班拜巴特尔大道53号电池研究所（Institute of Batteries, LLP），邮编010000
摘要
微塑料（MPs）的光催化降解缺乏标准化的分析流程。这一空白严重阻碍了研究结果的比较以及降解机制的解读。现有文献较为零散，因为研究结果受到反应条件、材料特性以及分析技术本身固有局限性的综合影响。
本文首次提出了一个基于分析方法的框架，以合理化该领域的实验设计。我们将整个过程分解为关键因素组：环境/操作参数、光催化剂性质、聚合物特性以及表面相互作用和预处理。重要的是，我们阐明了这些因素如何直接影响微观分析、光谱分析、色谱分析和热分析等关键分析技术的选择、适用性和可靠性。因此，该框架为设计更严谨、更具可比性的微塑料光催化降解研究提供了清晰的路径，有助于更深入地理解其降解特性。
引言
微塑料（MPs，<5毫米）和纳米塑料（NPs，<100纳米）在自然环境中的快速积累已成为一个重要的分析和环境挑战（根据上下文，“MP(s)”可以指单个或集合的微塑料颗粒）。微塑料和纳米塑料既来源于初级来源（如化妆品微珠和合成纤维），也来源于次级来源（如大塑料碎片的风化、机械磨损和光氧化降解），现在它们普遍存在于空气、土壤、淡水和海洋系统中[1]、[2]、[3]、[4]。全球塑料产量持续增长，每年约为3.5329亿吨，其中约7933万吨被不当处理或释放到水环境中，进一步加剧了微塑料污染[1]、[5]。
微塑料和纳米塑料的微小尺寸、大表面积以及化学稳定性使其易于在环境中传播并具有生物可利用性，这引发了人们对生态和潜在人类健康影响的担忧[6]、[7]、[8]。在人体器官（包括肝脏、肾脏和脑组织）中检测到这些物质，凸显了它们穿越生物屏障的能力，也凸显了了解其在环境系统中转化和命运的紧迫性[9]、[10]。尽管研究兴趣日益浓厚，但由于缺乏统一的实验和分析方法，对微塑料降解途径和转化机制的系统理解仍然有限[11]。
在现有的缓解策略中，传统的去除方法（如机械去除、过滤和化学氧化）对于从复杂基质中完全消除微塑料效果不佳[12]。因此，高级氧化过程（AOPs）作为微塑料降解的潜在途径受到了越来越多的关注。这些过程会产生高活性的氧物种，包括羟基（•OH）、超氧阴离子（O2•?）和硫酸根阴离子（SO4•?），它们具有极高的氧化还原电位，能够引发聚合物材料的氧化降解[13]。基于芬顿反应、臭氧处理和等离子体处理以及光催化是这方面研究最广泛的AOPs方法[14]、[15]。
光催化作为一种特别有前景且可持续的方法，因其操作条件温和、可利用太阳能以及产生的二次污染物较少而受到重视[16]、[17]、[18]。在光催化系统中，半导体材料在光照下生成活性氧物种（ROS），引发聚合物链断裂和表面改性。这一过程会导致含氧功能团的生成、分子量降低以及晶体结构、表面化学性质和形态的变化。转化的程度和途径很大程度上取决于光催化剂性质、聚合物结构和反应条件之间的相互作用，这些因素也决定了降解结果的分析可靠性。二氧化钛（TiO2）和氧化锌（ZnO）因其成熟的物理化学性质、对紫外线的响应带隙以及相对化学稳定性而被广泛用作微塑料降解研究的参考光催化剂[19]、[20]、[21]。尽管有这些优势，TiO2和ZnO的活性仅限于紫外线范围，并且电荷利用效率较低[21]、[22]。因此，人们探索了多种替代材料[23]、[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]，其中许多材料在有机污染物和微塑料的光催化降解中表现出良好的性能。
然而，不同研究报道的效率和降解途径差异很大，反映了光催化微塑料降解的多参数本质。降解结果不仅取决于光催化剂的相关性质（如带结构、表面化学性质、载流子动力学和界面反应性），还取决于聚合物的特定特性（如化学组成、晶体结构、表面形态和添加剂含量）。外部因素（如照射波长、光照强度、天然有机物（NOM）的存在、无机离子和反应介质）也会影响降解动力学[7]。
从分析角度来看，这种复杂性带来了重大挑战。光谱分析、显微镜观察和热分析技术常用于监测光催化处理过程中的化学氧化、分子量减少、形态变化和聚合物降解；此外，还需要区分降解过程和矿物化过程。降解指的是聚合物链的部分化学和结构改变，而矿物化则意味着聚合物完全转化为简单物质（如CO2和H2O），但这通常难以通过常用分析方法确认[31]。然而，这些方法的适用性、灵敏度和解释可靠性在很大程度上取决于实验设计、降解阶段和材料选择。因此，分析策略的一致性往往限制了数据之间的可比性，也使得评估不同研究中的光催化性能变得复杂。
在这方面，缺乏一个综合的、以分析为导向的框架是一个关键问题。因此，本文旨在系统地将光催化降解参数与其分析结果联系起来。通过整合工艺条件、光催化剂和聚合物的相关性质以及分析方法，提出了一个合理的设 计框架，强调了实验和材料选择如何预先决定分析的可观测性、数据可靠性和可比性。通过结合材料科学、环境化学和分析见解，本文旨在弥合对光催化系统基础理解和实际应用之间的差距，以实现高效和可持续的微塑料修复。
部分内容摘录
过程参数作为分析不确定性的来源
要实现微塑料的高效光催化降解，需要严格控制环境条件、光催化剂特性和聚合物的固有性质。最重要的参数包括光源和强度、照射时间、介质的pH值和温度、光催化剂用量和改性策略，以及微塑料的物理化学性质。如果降解过程发生在真实的水环境中，情况会更加复杂。
质量损失效率
鉴于微塑料光降解过程的复杂性，全面评估降解程度对于理解其背后的机制和产生的物理化学变化至关重要。最简单且应用最广泛的方法之一是测量光催化处理前后微塑料的质量变化，以此作为降解效率的基本指标[95]。可以通过称量微塑料样品在处理前后的质量来评估质量损失效率
在实际水环境中表征微塑料时的分析偏差和基质效应
在包括地表水、海水尤其是废水在内的实际水环境中，微塑料并非孤立存在，而是与天然有机物（NOM/DOM）和各种无机离子共存[82]、[83]、[168]。这种复杂的基质会严重干扰分析信号，使得微塑料的可靠识别、定量和解释变得极具挑战性。这些基质效应贯穿整个分析流程，从光学和光谱技术到
将降解条件与分析可解释性联系起来的综合框架
微塑料的光催化降解受一系列紧密相关的环境因素、光催化剂相关性质、聚合物特性和界面现象的调控（图11）。每个因素都影响过程的不同阶段，包括光子吸收、载流子生成与分离、活性氧的生成，以及随后的聚合物氧化和破碎。重要的是，这些因素不仅控制降解效率，还预先决定了
总体结论
微塑料的光催化降解是一种有前景且可能可持续的策略，有助于减轻持久性塑料污染；然而，其有效性受到多种物理化学、环境和材料特定参数的复杂影响。本文系统地分析了这些参数以及用于评估降解性能的分析方法，突显了微塑料光催化转化的固有复杂性。
作者贡献声明
巴图汗·塔蒂卡耶夫（Batukhan Tatykayev）：撰写——审稿与编辑、可视化、监督、资源准备、实验研究。阿扎尔·穆卡舍娃（Azhar Mukasheva）：撰写——初稿撰写、可视化、实验研究、概念构思。伊拉达·卡兹贝科娃（Irada Kazbekova）：撰写——初稿撰写、可视化、实验研究、概念构思。艾赞·科伊希贝科娃（Aizhan Koishybekova）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、实验研究、概念构思。萨拉·阿斯克罗娃（Sara Askerova）：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、可视化、实验研究、概念构思。
利益冲突声明
? 作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了哈萨克斯坦教育和科学部科学委员会的资助（资助编号：AP22788706）。
作者感谢叶尔纳尔·希尼贝科夫（Yernar Shynybekov）在本文插图制作方面提供的帮助。
