同济大学陈作锋教授ACS Nano观点：调控双金属催化活性对塑料垃圾进行有机升级并抑制析氧反应- 大数跨境

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同济大学陈作锋教授ACS Nano观点：调控双金属催化活性对塑料垃圾进行有机升级并抑制析氧反应

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2024-08-22

导读：同济大学陈作锋教授ACS Nano观点：调控双金属催化活性对塑料垃圾进行有机升级并抑制析氧反应

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文章信息

调控双金属催化活性对塑料垃圾进行有机升级并抑制析氧反应

第一作者：熊登科

通讯作者：陈作锋*

单位：同济大学

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研究背景

累积的80亿吨塑料废物主要分布在水生生态系统和垃圾填埋场内，对环境和野生动物造成重大危害。传统的塑料回收方法，主要是机械过程，成功率较低。相比之下，化学回收提出了一种从废塑料中提取更大价值的替代途径，要么将其升级为增值产品，要么将其催化加工成优越的单体衍生物。效率和选择性，以及可持续性和盈利能力，决定了这些策略的有效性，这就需要开发各种催化方法来丰富塑料废物的利用聚酯塑料。聚对苯二甲酸丁二酯(PBT)在温和的条件下通过碱性水解可以得到有价值的单体，包括对苯二甲酸(TPA)和1,4-丁二醇(BDO)。PBT废塑料的电精炼，特别是将PBT衍生的1,4-丁二醇(BDO)单体转化为增值琥珀酸盐，并结合氢气生产，成为缓解严重塑料污染的一种有利策略。析氧反应(OER)固有的缓慢动力学严重阻碍了整体效率，需要提高电压来产生大量的氢气。因此，与OER相比，探索替代阳极工艺的制氢方法具有更高的可负担性和更优越的热力学可行性，这是势在必行的。

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文章简介

近日，同济大学的陈作锋教授，在国际知名期刊ACS Nano上发表题为“Manipulating Dual-Metal Catalytic Activities toward Organic Upgrading in Upcycling Plastic Wastes with Inhibited Oxygen Evolution”的研究文章。

该研究文章利用配体交换方法，在Ni泡沫上合成了Mn掺杂的NiNDA纳米片(NDA: 2,6-萘二羧酸)，促进了PBT废物升级为琥珀酸二钾(DKS)和对苯二甲酸TPA。氢氧化物向MOF的转化不仅阻碍了OER过程，而且还催化了BDO氧化反应(BOR)，从而提高了目标BOR的FE。结果表明，与氢氧化物前体相比，亲醇MOF材料对BDO分子具有更高的亲和力，而Mn掺杂到NiNDA中导致电子积累的Ni位点，带中心向上移动，便于自旋依赖的电荷转移。因此，Mn掺杂的NiNDA纳米片(Mnd-NiNDA)显示出对BOR的高催化活性，实现了低电位(400 mA cm⁻²@1.35 V)以及可观的琥珀酸产率和FE(>95%)。此外，通过耦合制氢，构建的双电极膜电极组件(MEA)流动电池在50°C下达到1.5 A cm⁻²@1.82 V的工业电流密度(相当于3.98 kWh/Nm₃ H₂)。利用50g的PBT原料可生产38.4 g TPA和38.9 g琥珀酸盐，突出了其实用性。

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本文要点

要点一：Mn-NiNDA的制备与形貌

图1. a) Mnd-NiNDA的合成示意图。B-c) SEM, d) AFM, e) TEM，f) HRTEM，g) SEAD，h) TEM图像及相应的元素映射。

要点二：催化剂的谱学表征

图2. a-b)制备的电催化剂的XRD谱图, c)各种电催化剂的FT-IR和d)拉曼光谱，e-f) NiNDA和Mnd-NiNDA的BET和孔径分布，g) Zeta电位。

要点三：优异的催化性能

图3. a) OER和b) BOR的LSV曲线，c) BOR和OER的ECSA归一化比活性，d) Tafel，e) EIS，(f)雷达图，g) OER和h) BOR过程中的原位拉曼光谱。i)周期性OER和BOR电化学测量。(j)接触角测试。

要点四：产物表征

图4. a) BDO氧化产物的1H NMR和b) 13C NMR谱，c) PBT水解氧化产物的1H NMR谱图，d)不同电荷下获得的BOR的1H NMR谱，e) i-t，f)不同电荷下获得的BOR的HPLC，(g) BDO、HBA和琥珀酸盐浓度。(h) FE。(i)六个循环的BDO转换率、FE和BOR产率。

要点五：自旋态的转变

图5，a) Ni 2p和b) Mn 2p的XPS光谱，c) XANES光谱和d) R空间，e)磁化率与磁化率的反比，f) EPR，g)电子耦合示意图。

要点六：DFT理论计算

图6. a) NiNDA-oxi和Mnd-NiNDA-oxi模型, b)差分电荷和c) Bader电荷，d) DOS，e) Mnd-NiNDA-oxi自旋态调节后的能级交换示意图，f)主要反应途径示意图，g)吉布斯自由能图。

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文章链接

Dengke Xiong, Xiaoyang He, Xuan Liu, Kaiyan Zhang, Zhentao Tu, Jianying Wang, Shi-Gang Sun, and Zuofeng Chen*. Manipulating Dual-Metal Catalytic Activities toward Organic Upgrading in Upcycling Plastic Wastes with Inhibited Oxygen Evolution.

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c04219#

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通讯作者简介

陈作锋教授简介：2005年硕士毕业于厦门大学，师从博士师从香港大学Vivian Wing-Wah Yam 院士，随后在北卡罗莱纳大学教堂山分校Thomas J. Meyer 院士课题组以及杜克大学Benjamin J. Wiley 教授从事博士后研究工作。2014年加入同济大学，入选国家级青年人才计划，同济大学“百人计划A”，2020年遴选为同济大学长聘教授。主要从事人工光合作用和太阳能燃料制备过程中的光、电催化和新能源材料等课题的研究。已发表论文150篇，其中以第一作者或通讯作者在Proc. Natl. Acad. Sci. (3), J. Am. Chem. Soc. (3), Angew. Chem. Int. Ed. (3), Adv. Mater. (1), Energy Environ. Sci. (2), Adv. Energy Mater. (1), ACS Nano (2) 等期刊发表IF > 10的论文45篇；论文他引近8000余次，h-index 53；申请专利28件；主持国家自然科学基金青年项目1项，面上项目3项，上海市自然科学基金面上项目1项，中央高校基本科研业务费1项；完成企业委托开发项目多项。