微塑料（MP）污染因其在全球范围内的持续扩散及对人类健康和水生生态系统的危害，已成为重大环境问题。石墨相氮化碳（g-C3N4）作为一种无金属聚合物半导体，凭借其优异的可见光响应活性、高化学稳定性及可调电子结构，被视为极具前景的微塑料光催化剂。本综述结合文献计量学分析，系统阐述了g-C3N4基材料的合成策略、结构改性及异质结构建的最新进展，旨在提升其光催化性能。研究人员深入探讨了微塑料降解机制，包括羟基自由基（•OH）、超氧自由基（•O2−）及光生空穴和电子的生成过程，并分析了光照强度、辐照光源、pH值、温度、微塑料类型与尺寸等因素对催化性能的影响。同时，本研究明确了当前面临的挑战，包括大规模实际应用及真实环境条件下混合微塑料的处理难题，并提出了开发多功能、实用型g-C3N4基光催化剂以实现可持续微塑料修复的未来发展方向。
1. Introduction
塑料污染已成为当今最严峻的环境挑战之一。过去几十年，人类对塑料制品的依赖显著增加，导致塑料废物管理面临巨大压力。联合国环境规划署（UNEP）、经济合作与发展组织（OECD）等机构数据显示，全球塑料产量已达约4600万公吨，预计到2050年将增至330亿公吨，成为全球最紧迫的环境问题之一，严重威胁陆地及海洋生态系统。塑料进入环境后，在紫外线辐射、氧化、机械磨损及潮汐力驱动下发生物理、化学和生物降解，形成微塑料（MPs，通常指粒径5 mm至50 μm）和纳米塑料（NPs，通常小于100 nm）。这些颗粒体积小、持久性强且难以降解，易迁移扩散并通过空气、土壤和水体进入生物体内，甚至沿食物链传递，已在人体血液、粪便及胎盘中被检出。微塑料广泛存在于河流、湖泊、海洋、瓶装水、饮用水、食盐、海鲜、大气尘埃及农业土壤中，对环境和人体健康构成长期危害。常见微塑料类型包括聚乙烯（PE）、聚苯乙烯（PS）、聚酰胺（PA）、聚氯乙烯（PVC）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚甲醛（POM）、聚丙烯腈（PAN）和低密度聚乙烯（LDPE）等。根据来源可分为原生微塑料（如个人护理品中的塑料微珠）和次生微塑料（由大块塑料破碎形成）。人类可通过吸入、沉降及食物链摄入微塑料，引发呼吸道损伤、炎症性肠病、结肠癌及生育能力下降等风险。因此，开发高效策略将微塑料转化为安全或有用产物迫在眉睫。
在热降解、化学降解和生物降解等多种方法中，光催化降解因其直接利用太阳能、反应条件温和且可持续性强，成为最具前景的技术路线。理想的光催化剂应具备高化学与光稳定性、宽可见光吸收范围、低光生载流子复合率及易合成等特点。传统光催化剂如二氧化钛（TiO2）带隙宽（≥3.2 eV），仅能利用紫外光；三氧化钨（WO3）带隙较窄（约2.7 eV）但电荷复合快；氧化锡（SnO2）量子点、硫化锌（ZnS）及硫化铟锌（ZnIn₂S₄）等半导体均存在带隙过大或载流子复合严重等问题。相比之下，石墨相氮化碳（g-C3N4）作为一种无金属聚合物半导体，由碳和氮组成，具有热稳定性高、成本低、化学惰性、环境友好及优异的可见光响应活性等优势。其带隙约为2.7 eV，由三嗪或七嗪环单元构成二维层状共轭结构，层间通过范德华力连接，氮原子孤对电子赋予其独特的电子结构和电荷传输特性，导带（CB）和价带（VB）分别位于约−1.4 eV和+1.3 eV，适合驱动多种氧化还原反应。自2009年王心晨团队首次报道其可见光析氢性能以来，g-C3N4在环境修复领域受到广泛关注。
2. Properties of graphitic C3N4based material
g-C3N4因其独特的物理化学性质在环境修复和光催化领域备受关注。其稳定性源于强化学惰性和低溶解度，在酸性、碱性和有机溶剂中均不溶解，在空气中可稳定存在至约600°C。电化学性能方面，其层状π共轭框架中的氮物种（尤其是吡啶氮和石墨氮）提供丰富孤对电子，影响电荷分布和氧化还原活性，但原始体相材料因层间电子传输受限导致电导率中等。光催化性能上，其合适的带隙和可见光捕获能力使其成为优异的光催化剂，层状结构和含氮官能团提供丰富活性位点，可用于光解水产氢及有机/无机污染物降解，但原始材料存在光生载流子复合快、可见光吸收有限（主要限于蓝紫光区，λ < 450 nm）及活性位点少等局限，需通过掺杂、异质结构建、形貌调控等策略优化。吸附性能则由其表面化学功能和多孔微观结构决定，丰富的氨基、吡啶氮和缺陷位点可通过π-π相互作用、表面络合、配位作用及静电作用吸附污染物。此外，g-C3N4的无金属特性使其在环境应用中更具安全性和可持续性。
3. Methods of preparation and modifications
为克服原始g-C3N4的局限，研究人员开发了多种制备与改性方法。热聚合法是最常用的合成途径，通过加热富氮前驱体（如三聚氰胺、双氰胺、尿素、硫脲）使其缩聚，可调控产物形貌和结晶度。水热法在密闭高压釜中进行，利用高温高压水溶液制备材料，结合结构导向剂可提升比表面积和界面接触。溶剂热法与水热法原理相似，但使用有机溶剂替代水，可获得高纯度、分散性好且形貌可控的产物。模板法分为硬模板（如二氧化硅）和软模板（如表面活性剂），可复制模板形貌制备多孔结构。超分子自组装通过非共价相互作用自发形成有序结构，调控材料的光学和电子性质。溶胶-凝胶法是一种自下而上的低温合成策略，通过前驱体水解和凝胶化制备复合材料。金属/非金属掺杂通过将少量元素引入前驱体，调控能带结构和电荷分离效率。静电纺丝法则利用强电场制备一维纳米纤维复合材料，提升材料稳定性和界面接触。
4. g-C3N4-based materials as photocatalysts for the degradation of microplastics
多种g-C3N4基复合材料已成功用于微塑料降解。例如，α-Fe2O3/g-C3N4在氙灯照射下对聚乙烯（PE）和聚苯乙烯（PS）表现出显著降解效果；钌掺杂g-C3N4（Ru-g-C3N4）通过Norrish机制在酸性条件下高效降解低密度聚乙烯（LDPE）；三氧化钨/石墨相氮化碳（WO3/g-C3N4）异质结通过Z型机制促进电荷分离，提升PET降解效率并伴随产氢；终止聚合型聚合物氮化碳（TP-PCN）通过碘离子抑制π-π堆积，增加比表面积，实现PET降解与产氢同步；g-C3N4/二氧化钛（TiO2）/废弃棉基活性炭（WCT-AC）复合材料在中性pH下对PE降解率达67.58%，且循环稳定性良好；ZIF-67/g-C3N4结合过一硫酸盐（PMS）可产生硫酸根自由基（SO4−•），显著提升PET降解效率；钴铁氧体/石墨相氮化碳（Co3O4/ZnO@g-C3N4）中空纳米反应器可将PE高效转化为乙酸，转化率达81.9%。此外，g-C3N4基材料在染料、酚类等有机污染物降解中也表现出优异性能。
5. Comparative analysis of recent potential materials for the degradation of MPs and NPs
与传统光催化剂相比，g-C3N4在可见光或太阳能驱动下优势明显。二氧化钛（TiO2）带隙宽（>3.0 eV），仅能利用紫外光（占太阳能<5%）；氧化锌（ZnO）同样受限于宽带隙；卤氧化铋（BiOCl）虽电荷分离效率高，但g-C3N4无金属、低毒且成本更低；铜基氧化物（Cu2O/CuO）可见光谱吸收强，但易发生光腐蚀。综合来看，g-C3N4在可持续环境修复中更具应用潜力。
6. Reaction mechanism of photocatalytic degradation of MPs
g-C3N4的光催化降解机制始于光子激发产生电子-空穴对。光生空穴可直接氧化微塑料链或与水反应生成羟基自由基（•OH），光生电子则将分子氧还原为超氧自由基（•O2−），进而转化为过氧化氢（H2O2）和更多•OH。这些活性氧物种攻击微塑料的C-C、C-H等化学键，导致链断裂、氧化和矿化，最终生成二氧化碳和水。不同微塑料的降解路径存在差异：聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）主要通过过氧化和自由基链式断裂逐步生成短链羧酸；聚苯乙烯（PS）因侧链苯环吸光直接产生自由基，加速降解；聚氯乙烯（PVC）首先脱氯形成共轭双键，随后氧化断裂；含杂原子的微塑料（如PET、PA）则优先被•OH攻击杂原子键，逐步分解为小分子有机物。
7. Bibliometric assessment
研究人员通过Scopus数据库检索2015年至2026年1月的相关文献，采用VOSviewer软件进行文献计量分析。关键词共现网络显示，研究聚焦于微塑料污染、修复技术、环境行为及生态毒性等主题。年度发文量自2019年起快速增长，2025年达到峰值，反映该领域关注度持续提升。国家层面，中国发文量最高（299篇，占26.4%），其次为印度（153篇，13.5%）和美国（59篇，5.2%）。
8. Future perspectives and real-world challenges of MP degradation
当前研究多在实验室模拟条件下进行，真实环境更复杂（混合微塑料、自然光照波动、共存污染物干扰），亟需开展自然光照和实际水体基质下的验证。同时，需开发能同时降解多种微塑料的通用型催化剂，并系统评估降解产物的生态毒性，避免二次污染。此外，g-C3N4基材料的大规模合成成本、长期稳定性及可回收性仍需优化，需推进中试试验和反应器设计，缩小实验室研究与工程应用的差距。
9. Conclusions
g-C3N4凭借其优异的能带结构、化学稳定性和可见光响应能力，成为微塑料修复的高效光催化剂。通过掺杂、异质结构建等改性策略可有效提升其性能。未来需重点突破实际环境适用性、混合微塑料协同降解、产物毒性控制及规模化应用等瓶颈，并探索g-C3N4与MXenes、金属有机框架（MOFs）等材料的复合，以进一步提升电荷分离效率和催化活性，推动可持续微塑料污染治理技术的发展。
