微塑料（MPs）污染已演变为全球性生态危机，其广泛分布的根源在于塑料制品的泛滥使用，以及不足 20% 的全球塑料回收利用率。MPs 的危害具有隐蔽性与生物累积性，它们能够通过生物放大作用在食物链中逐级富集，目前已在人体血液、胎盘乃至大脑组织中被检测到，对人类健康与生态系统构成潜在威胁。此外，MPs 作为污染物的载体，能够吸附并富集重金属、持久性有机污染物等有害物质，进一步加剧其环境危害。

       当前，物理分离、化学氧化、生物降解及热解等传统处理技术均存在显著局限性：物理方法难以实现彻底去除，化学处理可能产生二次污染，生物修复周期漫长，热分解过程则需消耗大量能源。这些技术瓶颈凸显出开发高效、绿色且快速响应处理技术的紧迫性。

       本研究创新性地提出 “焦耳热辅助电化学降解” 策略，通过优化设计的电化学系统，实现阳极对 MPs 的高效捕获与熔化。该方法不仅强化了污染物与电极间的直接电子转移效率，还能有效避免纳米级塑料碎片的产生，为微塑料的快速无害化处理开辟了全新路径。

文章概述

       陕西科技大学邵丹副教授、宋浩杰教授团队联合西安交通大学徐浩教授团队，于《Applied Catalysis B: Environment and Energy》期刊发表题为 “Joule heat assisting electrochemical degradation of polyethylene microplastics melted on anode” 的研究论文。该研究创新性提出 “焦耳热辅助电化学降解” 策略，为水体中聚乙烯（PE）微塑料（MPs）的快速消解提供了全新路径。

       研究团队通过设计定制化反应器，使 PE MPs 在阳极表面被高效捕获。在界面焦耳热作用下，微塑料迅速软化、熔化，极大提升了直接电子转移效率，实现了短寿命活性物种的最大化利用。实验数据显示，该技术可在数小时内，将浓度约 1 g・L−1 的 PE MPs 降解率提升至 99% 以上。经降解后的固体产物呈现更高的羰基指数（CI）与氧 / 碳比（O/C），其特性促使产物趋向于聚合，有效抑制纳米塑料（NPs）生成，仅产生少量含不饱和碳链的低毒性可溶性物质。研究还发现，相较于 SO42 - 和 S2O82 - 体系，Cl - 存在的水基质更能促进微塑料链断裂，显著增强固体产物的融合效果。

      团队进一步拓展研究，通过对其他五种不同类型 MPs 的降解实验，验证了该策略的普适性，并提出了全新的 MPs 降解机制。此外，研究还开展技术经济分析，对策略的可行性与成本效益进行评估。这项研究成果为微塑料污染治理提供了高效、绿色的解决方案，在学术研究与实际应用领域均展现出巨大潜力。

       面对微塑料（MPs）污染这一全球性环境危机，本研究突破性提出 “焦耳热辅助电化学降解” 创新策略，致力于实现水体中聚乙烯（PE）微塑料的高效快速消解。通过定制化设计的反应器，当 PE 微塑料被阳极捕获后，界面焦耳热效应促使其迅速软化、熔融，显著提升直接电子转移效率，充分激活并利用短寿命活性物种参与降解反应。

      实验数据表明，该策略能在数小时内将水体中 PE 微塑料降解率提升至 99% 以上。值得关注的是，降解过程有效规避了纳米塑料（NPs）的二次生成风险，最终仅产生少量低毒性可溶性产物，为微塑料污染治理提供了兼具高效性与安全性的解决方案。

      流程图 1 以多维度视角系统呈现了微塑料二次危害、现有降解技术对比、本研究创新的电化学氧化策略等关键内容。该图不仅展示了系统示意图、下流膜反应器爆炸图，还详细刻画了微塑料在下流膜反应器中被混合阳极捕获的动态过程。实验数据显示，因界面焦耳热效应，阳极表面温度出现显著跃升；当阳极电流密度达到 20 mA・cm−2 时，阳极 - 溶液界面温度飙升至 131.9°C，远超 PE 微塑料的熔点。这一高温环境促使附着于阳极的 PE 微塑料发生软化或熔化。图 1 中，通过对比模拟与实测数据，直观呈现了温度上升的变化趋势，进一步验证了该电化学氧化策略对微塑料处理的有效性与可行性。

       通过在多种介质中对 PE 微塑料开展降解实验，研究人员观察到残留固体产物在质量与形态上均呈现显著变化。图 2 系统呈现了该研究的关键成果：不仅包含不同降解阶段残留固体产物的重量损失率数据，还通过扫描电镜图像直观展现其微观结构变化；结合热重 - 差示扫描量热法分析结果，深度揭示产物热稳定性与相变特征；同时，以示意图的形式清晰呈现 PE 微塑料在不同介质中形态与形状的演变过程，为降解机制研究提供多维度证据支持 。

        图 3 从分子结构层面对 PE 微塑料降解后的残留固体产物进行了深度剖析。研究人员借助傅里叶变换红外光谱（FTIR）与 X 射线光电子能谱（XPS）技术，系统测定产物中的特征功能团，精准捕捉其化学键变化信息；同时，辅以 PE 链功能团修饰的示意图，直观呈现降解过程中 PE 分子结构的转化路径，为阐释微塑料降解机理提供了分子级别的数据支撑与可视化依据。

       图4全面呈现了PE微塑料在不同降解阶段的可溶产物分析成果。研究人员综合运用气相色谱-质谱联用（GC-MS）技术，精准鉴定出产物中的各类化合物；通过紫外-可见光谱（UV-Vis），捕捉产物分子结构变化的光谱特征；同时，结合总有机碳（TOC）和总碳（TC）含量的动态变化数据，系统揭示了降解过程中碳元素的转化规律。这些多维度的分析结果，为深入理解PE微塑料降解机制提供了丰富且详实的依据。 

       图5以可视化形式呈现核心理论：在阳极表面Nernst层区域，焦耳热效应引发的温度升高促使PE微塑料发生软化乃至熔化；同时，图中通过四组降解途径示意图，系统阐释了微塑料从形态改变到分子结构裂解的完整过程，为揭示降解动力学与能量转化机制提供了直观且关键的理论支撑。 

        此外，研究团队通过系统性实验验证了该降解策略的普适性。如图6所示，除聚乙烯（PE）外，研究人员对另外五种微塑料进行降解测试，结果表明其降解率与熔点呈现显著的强相关性，充分说明该方法对不同类型微塑料均具有良好的适用性。在毒性安全性方面，研究人员开展了全面的毒性评估实验，以豌豆为生物模型，观察处理后介质对植物发芽及生长的影响。实验数据显示，经降解处理的介质未对豌豆生长造成任何不良影响，有力证实了该降解过程不会产生有毒副产物，为技术的实际应用提供了关键的安全性依据。 

       最后，研究团队通过图7对本研究与其他微塑料处理技术进行了全面的技术经济性对比分析。数据显示，“焦耳热辅助电化学降解”策略在电力消耗及全流程成本控制方面展现出显著优势。结合此前多维度的实验验证与理论分析，该策略不仅具备高效降解能力，还兼具成本可控、环境友好等特性。由此推断，本研究提出的创新方案有望为全球微塑料污染治理提供兼具技术可行性与经济合理性的解决方案，助力应对这一长期且严峻的环境挑战。

总结与展望

      本研究提出的 “焦耳热辅助电化学降解” 策略，为水体中聚乙烯微塑料（PE MPs）的处理提供了创新且高效的解决方案。该策略通过阳极对 PE MPs 的选择性捕获，利用界面焦耳热效应产生高达 131.9°C 的局部高温，突破 PE MPs 的熔点，促使其软化、熔融，从而显著提升降解效率，并有效抑制纳米塑料（NPs）的生成。实验数据表明，羟基自由基（HO・）、氯自由基（Cl・）和硫酸根自由基（SO4・-）在降解过程中起到核心驱动作用；尤其值得注意的是，体系中氯离子的存在能够加速微塑料分子链的断裂，使得 PE MPs 在 6 小时内即可实现完全降解。

      从产物分析来看，该过程促使固体产物发生显著融合，而可溶产物中未检测到氯化物，证实主要生成不饱和有机物质。进一步的毒性评估实验显示，处理过程未产生任何有毒有机副产物，充分证明了该技术的环境安全性。此外，研究团队通过拓展实验验证了该策略的普适性，其对聚苯乙烯（PS）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）、聚乳酸（PLA）和聚对苯二甲酸乙二酯（PET）等多种类型微塑料均展现出良好的降解效果，凸显其广阔的应用前景。

      在技术经济性方面，与现有处理技术相比，“焦耳热辅助电化学降解” 策略具有显著的能耗与成本优势，为大规模应用奠定了坚实基础。这些特性表明，该策略有望成为全球微塑料污染治理的关键技术。

      综上所述，本研究不仅开发出一种高效、安全的微塑料处理技术，更为相关领域的研究提供了全新思路与技术支撑。随着技术的持续优化与推广，“焦耳热辅助电化学降解” 策略将在环境保护和可持续发展领域发挥更大作用，为解决全球性微塑料污染难题提供有力保障。

原文链接：

Dan Shao, Weipeng Zhao, Shiyu Ji, Changan Yang, Jikun Zhang, Ruixi Guo, Bo Zhang, Wei Lyu, Jiangtao Feng, Hao Xu, Wei Yan, Haojie Song. Joule heat assisting electrochemical degradation of polyethylene microplastics melted on anode. Applied Catalysis B: Environment and Energy, 2024.

https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2024.124281.

通讯作者简介

邵丹 现为陕西科技大学材料科学与工程学院宋浩杰教授“功能碳基纳米复合材料”研究团队成员。目前的主要研究方向为电化学水处理和电解水制氢领域中各类高效长寿命电极材料的研发及相关反应装备的设计与优化，即基于材料科学与工程、化学工程、环境工程、机械工程、仿真模拟学的交叉学科背景，以电化学反应工程为依托，以新材料和新型装备为突破口，力求产学研结合，从而为解决我国能源与环境的实际问题做出努力。主持国家自然科学基金（水无常形-基于电磁场的涂层结构调控对阳极性能的影响机制研究）、陕西省自然科学基金（2.5维电化学提高重金属有机复杂体系废水可生化性的研究；含电气石模块的新型磁组装电极对有机废水的电化学氧化过程研究）、横向项目（光伏稳定电解水制氢系统与技术研究）等项目。近年来在《ACS Applied Materials & Interfaces》、《Chemical Engineering Journal》、《Journal of Hazardous Materials》、《Chinese Chemical Letters》等国内外材料、电化学、环境化工领域知名期刊上发表论文20余篇，获批专利多项。担任《Applied Catalysis B: Environmental》、《Journal of Hazardous Materials》、《Chemical Engineering Journal》、《Electrochimica Acta》等知名期刊的审稿人与《Frontiers in Chemistry》专刊客座编辑。

宋浩杰，男，博士（后），教授，博士研究生导师。中国机械工程学会高级会员，中国表面工程分会青年工作委员会委员，中国摩擦工程分会青年工作委员会委员，陕西科技大学学术骨干。2008年7月博士毕业于中国科学院兰州化学物理研究所固体润滑国家重点实验室。攻读博士期间，分别获得“中国科学院宝洁优秀博士奖学金”与“中国科学院院长优秀奖”。主要从事碳基纳米复合材料的制备及其在摩擦、环境能源领域中的应用。目前主持国家自然科学面上基金（2项）、国家自然科学青年基金、国家博士后科学基金特别资助、国家博士后科学基金、江苏省六大人才高峰和陕西省自然科学基金重点项目等项目10余项。担任国家自然科学基金函评专家及国际多种材料类期刊的审稿人；2014年6月至2015年5月作为国家公派访问学者在德国马普胶体与界面研究所学习。以第一作者或通讯联系人在Journal of Materials chemistry; Chemical Engineering Journal, Journal of Membrane Science等国外权威期刊上发表SCI论文60余篇（中科院JCR一区论文20余篇），撰写国家发明专利15项，授权国家发明专利10项。

徐浩，汉族，中共党员，博士，教授，博士研究生导师，环境科学与工程系主任，环境工程国家级一流本科专业建设点负责人，陕西省杰出青年科学基金获得者，《工业水处理》编委、青年编委会副主任委员，《电镀与涂饰》编委，Chinese Chemical Letters青年编委，《西安交通大学学报》青年编委，中国化工学会专业会员，中国化工学会工业水处理专委会副秘书长、委员、技术专家，第三批秦岭生态环保青年学者，并担任多个学术期刊审稿人及多个省市科技项目与科技奖项的评审人。主要研究方向为电化学水处理技术、新型钛基体金属氧化物电极和电催化二氧化碳还原技术。承担国家自然科学基金面上项目、青年基金、陕西省杰出青年科学基金、中国博士后科学基金、陕西省自然科学基础研究计划项目、浙江省基础公益研究计划项目、陕西省博士后科学基金、中央高校基本科研业务费及多项企业委托的横向课题。获陕西省科技进步二等奖（第1完成人）、山东省科技进步二等奖（第2完成人）、全国服务业科技创新奖一等奖（第2完成人）、陕西省高等学校科学技术奖一等奖2项、陕西省环境保护科学技术奖特等奖、陕西省第三届高校教师微课教学比赛三等奖、陕西省第三届高校课堂教学创新大赛（本科）优秀奖、陕西省环境保护青年科技奖、陕西省专业学位研究生优秀教学案例、西安交通大学教学成果奖二等奖（第1完成人）、西安交通大学师德先进个人、西安交通大学研究生教育青年优秀导师、西安交通大学”我最喜爱的老师“荣誉称号、西安交通大学第二届课堂教学创新大赛一等奖、西安交通大学“课程思政百名教师大练兵”二等奖、西安交通大学教学竞赛三等奖、西安交通大学专业学位研究生优秀教学案例等荣誉。主编《环境科学与工程导论》和《环境样品采集与分析》规划教材。所承担《环境化学》与《环境样品采集与分析》课程均为西安交通大学课程思政示范课程。参编中国化工学会团体标准1项。

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