【催化】“协作的胜利”——流动条件下光催化选择性转化聚酯废弃物- 大数跨境

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2024-11-21

导读：阿德莱德大学乔世璋教授课题组通过原子级协同光催化剂和流动反应体系的结合，实现了高效、选择性和近乎零碳排放的PET废弃物至有价值化学品的转化。

废弃塑料的回收利用有利于可持续循环经济的发展。聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）是最常用的聚酯，年产量超过7000万吨，广泛用作包装材料和纺织纤维。然而，仅小于20%的PET通过机械回收，大部分制品在使用后被填埋处理，造成环境污染和资源浪费。化学回收法能够在一定反应温度和压力下从PET中回收单体或其他有价值产物，但产生额外能耗和温室气体的排放。因此开发环保、可持续的废弃PET回收利用方法是非常重要的。近日，阿德莱德大学乔世璋教授课题组通过原子级协同光催化剂和流动反应体系的结合，实现了高效、选择性和近乎零碳排放的PET废弃物至有价值化学品的转化。

目前光催化PET回收研究受限于非选择性的转化，这源于：1）光生电子和空穴的复合；2）动力学缓慢的底物氧化；3）不同氧化性物种的非选择性反应；4）产物的再分解或逆转化。开发高效、新颖的光催化反应体系以解决上述挑战并实现太阳能驱动的废弃PET选择择性转化非常重要。

乔世璋教授课题组采用冰辅助光还原法制备了一系列原子级分散位点和金属颗粒协同的光催化剂，并结合反应条件和反应器优化，实现了光催化选择性氧化PET至甲酸盐。原子Pd和金属PdCu共修饰TiO₂光催化剂 (Pd₁Cu_0.4-TiO₂) 展现了甲酸盐生成速率4707 µmol g⁻¹ h⁻¹和选择性92.3%。有氧条件下PET底物氧化的催化活性相较于其他报道的光催化体系有数量级的提升。

图1. 光催化剂的PET底物氧化性能。

研究人员采用原子分辨扫描透射电子显微镜、X射线吸收精细结构、能量散射光谱、电子能量损失谱等技术，探究了光催化剂的表面原子结构和化学态。通过瞬态荧光、表面光伏、原位X射线光电子能谱、原位电子顺磁共振等时间分辨的原位光谱，研究了材料光生电荷分离/转移的动力学行为。光催化剂的表面反应过程也通过原位谱学所详细探究，包括原位红外、原位电子顺磁共振、程序升温脱附-质谱联用和一系列光催化实验。结果发现，光催化剂表面原子Pd和金属PdCu间的协同作用能够促进光生电子/空穴的定向转移，并通过氧诱导C-C键活化实现选择性转化路径。配置流动反应体系改善反应物传质和产物分离过程，进一步增强氧诱导的反应过程并抑制产物分解，从而强化PET底物的选择性转化。

图2. 光催化氧化反应的相关表征。

通过原子级分散位点-金属颗粒的协同，光催化剂-反应器的协同和化学处理-光催化反应的协同，本工作实现了聚酯废弃物的选择性转化。该研究为氧化还原光催化反应体系的设计以及通过塑料可持续转化生产有价值产物提供了启发。

这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上，文章的第一作者是阿德莱德大学博士研究生张帅。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Selective Oxidation of Polyesters via PdCu–TiO₂ Photocatalysts in Flow

Shuai Zhang, Bernt Johannessen, Bingquan Xia, Xintong Gao, Kenneth Davey, Jingrun Ran, and Shi-Zhang Qiao

J. Am. Chem. Soc., 2024, DOI: 10.1021/jacs.4c11973

导师简介

乔世璋教授，澳大利亚科学院院士，现任澳大利亚阿德莱德大学化工学院纳米技术首席教授，能源与催化材料中心（Centre for Materials in Energy and Catalysis）主任，澳大利亚研究委员会电池回收工业转化中心主任，主要从事新能源技术纳米材料领域的研究，包括电催化、电池、光催化等。作为通讯联系人，在Nature、Nature Energy、Nature Nanotechnology、Nature Synthesis、Science Advances、Nature Communications、Journal of American Chemical Society、Angewandte Chemie-International Edition、Advanced Materials等国际顶级期刊发表学术论文超过560篇，引用超过136,500次，h指数为188。

乔世璋教授已获得多项重要奖励与荣誉，包括2023年澳大利亚研究委员会工业界桂冠学者（ARC Australian Industry Laureate Fellow），2023年能源研究先驱，2021年南澳大利亚年度科学家奖、澳大利亚研究之星、2019年阿德莱德大学校长卓越研究奖、2017年澳大利亚研究委员会桂冠学者（ARC Australian Laureate Fellow）、2016年埃克森美孚奖、2013年美国化学学会能源与燃料部新兴研究者奖以及澳大利亚研究委员会杰出研究者奖（DORA）。

乔教授是国际化学工程师学会会士、澳大利亚皇家化学会会士、英国皇家化学会会士等。同时，他担任国际刊物英国皇家化学会杂志EES Catalysis的主编和 Journal of Materials Chemistry A副主编，也是科睿唯安（Clarivate Analytics）/ 汤姆森路透（Thomson Reuters）化学、材料科学和环境与生态三个领域的高被引科学家(近十年有124篇高被引论文)。

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