第一作者：李丹
通讯作者：张水凤，郑伏琴，陈卫
通讯单位：广西师范大学
论文DOI：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2025.125867
塑料污染+能源消耗，双重困境如何破局？ 全球PET塑料（如饮料瓶）因难降解持续污染环境，而传统绿色制氢中，水电解阳极的氧析反应（OER）不仅耗能高，还存在氢氧混合爆炸风险。如何将“废塑料”转化为“高价值化学品”，同时降低制氢能耗？广西师范大学团队的最新研究给出了答案——通过设计新型空心异质结构催化剂(FeOOH/CoOOH)，让乙二醇（PET水解产物）电氧化（EGOR）效率大幅提升，为塑料回收与绿色能源耦合提供新路径。
1. 解决 PET 污染痛点：PET 难降解，传统回收效率低，本研究将其水解产物乙二醇（EG）定向转化为高附加值产物甲酸（FA），实现 “污染物资源化”；
2. 替代高耗能 OER：EGOR 替代 OER 作为电解水阳极反应，降低制氢能耗，兼顾环保与能源效益；
3. 突破 EGOR 催化瓶颈：单一组分催化剂对 EG 吸附弱、C-C 键难断裂，导致转化效率低，需设计高效异质结构优化催化性能。
1. 创新催化剂结构：成功制备空心 FeOOH/CoOOH 异质结构，经原位表征证实，FeP/CoP 前驱体在反应中重构为 FeOOH/CoOOH，是实际催化活性位点；
2. 内置电场促吸附：FeOOH 与 CoOOH 的功函数差异形成 “内置电场（BEF）”，显著增强 EG 和 * OH中间体吸附，为 C-C 键断裂奠定基础；
3. 优异催化性能：仅需 1.32 V（vs RHE）低电位可达到10 mA cm-2电流密度，甲酸法拉第效率高达 92.19%，高于单一 FeOOH 和CoOOH 催化剂；
4. 明确反应路径：通过原位红外光谱锁定 “乙醇酸（GA）” 为关键中间体，证实 EG 经 GA 路径定向转化为甲酸，为催化剂设计提供理论依据。
图 1：催化剂的 “诞生” 与结构优势
1. 合成过程：先将 Co、Fe 金属盐与 PVP 混合煅烧得到 Fe2O3/CoFe@NC 前驱体，再经磷化反应生成空心 FeP/CoP@NC；
2. 结构亮点：TEM/HR-TEM 显示，FeP 与CoP 形成清晰异质界面；空心结构加速传质，异质界面提供更多活性位点；
3. 元素分布：HAADF-STEM mappings 证实 Co、Fe、P 均匀分布于空心颗粒，N、C 则分散在碳纳米片基底，保障导电性。
图 2：催化性能 “碾压” 单一组分催化剂
1. 低电位高活性：LSV 曲线显示，FeP/CoP@NC 达到 10 mA cm-2仅需 1.32 V，低于 FeP@NC（1.54 V）和CoP@NC（1.33 V）；
2. 低电阻快传质：EIS 和 Tafel 斜率分析表明，该催化剂电荷转移电阻更小、电子转移速度更快；
3. 高选择性稳定产甲酸：1H NMR 证实甲酸是唯一液态产物，6 次循环测试中法拉第效率均超 85%，稳定性优异。
图 3：反应机制的 “幕后真相”
1. 活性位点重构：原位拉曼显示，反应中 FeP/CoP 逐渐氧化为 FeOOH/CoOOH（485，580 cm-1为 CoOOH 特征峰，680 cm-1为 FeOOH 特征峰）；
2. 间接氧化路径：多电位阶跃实验证实，高价态的 MOOH（M=Fe/Co）先电化学氧化生成，再与EG 发生自发氧化还原反应；
图4：内置电场的形成
1. 内置电场促电子转移：XPS/UPS 表明，FeOOH（功函数3.22 eV）向 CoOOH（功函数 3.62 eV）转移电子，形成 BEF，优化中间体吸附。
图 5：催化剂吸附行为与 EGOR 路径
1. LSV 表明高 OH⁻浓度有利于*OH吸附，从而提升催化活性，原位红外和开路电压实验显示 FeP/CoP@NC 对 * OH和EG 吸附更强；
2. 原位外反射红外捕捉到乙醇酸特征峰，结合对比实验证实 EGOR 遵循 “乙二醇→乙醇酸→甲酸” 路径。
图 6：DFT 计算验证催化机制
1. DOS 图显示 FeOOH/CoOOH 费米能级处电子态密度高，导电性优；
2. d 带中心上调至 - 1.302 eV，吸附能计算证实其对 * EG、*OH 吸附更强，吉布斯自由能图显示 C-C 键断裂和决速步能量壁垒低。
图 7：耦合制氢与 PET 实际转化
1. 耦合制氢降能耗：EGOR-HER 耦合系统达到 10 mA cm-2仅需 1.37 V，低于传统全解水（1.54 V）；
2. PET 实际转化：将商业 PET 在 2 M KOH 中水解，所得电解液中，催化剂实现 10 mA cm-2仅需 1.35 V。甲酸法拉第效率为 76.23%，验证实际应用潜力。
1. 本研究通过 “前驱体重构 + 异质界面设计”，成功制备出空心 FeOOH/CoOOH 异质结构催化剂；
2. 利用内置电场增强 EG 和 * OH 吸附，上调 d 带中心，加速 C-C 键断裂，实现 EG 高效转化为甲酸；
3. 证实 EGOR 遵循 “MOOH 间接氧化” 机制，明确乙醇酸为关键中间体；
4. 既为 PET 塑料污染问题提供了解决新方案，又降低绿色制氢能耗，实现 “环保-能源- 经济”三重效益统一。
陈卫，教授，西北大学学士，中国科学院长春应用化学研究所硕士，厦门大学博士，加州大学圣克鲁兹分校博士后。2010年以海外人才入职中科院长春应化工作，入选中科院百人计划、广西八桂学者。现为广西师范大学二级教授。主要从事无机纳米材料的可控制备及其在能源催化领域中的应用研究，已在Chem. Rev., Chem. Soc. Rev., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.,等刊物发表SCI论文280余篇，他引22000余次, H指数84。2018-2020、2022及2024年度科睿唯安全球高被引学者，享受国务院政府特殊津贴专家。主持或参与了国家自然科学基金面上和重点项目、国家重点研发计划、广西创新研究团队项目等。获得吉林省自然科学一等奖(排名第一)，吉林省自然科学学术成果一等奖(排名第一)、中国电化学青年奖等。
郑伏琴，副教授，广西师范大学硕士生导师。2020年1月于中国科学院长春应用化学研究所，电分析化学国家重点实验室获得理学博士学位。2020年6月入职广西师范大学，2023年12月晋升为副教授。主要从事纳米功能材料的可控制备及其在能源催化领域中的应用研究，主持国家自然科学基金2项，省部级基金2项，以第一作者/通讯作者在Adv. Funct. Mater., ACS Appl. Mater. Interfaces, ACS Sustainable Chem. Eng. 等国际国内著名期刊上公开发表学术论文20余篇。
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