【催化】催化剂表界面调控助力塑料回收- 大数跨境

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2024-03-17

导读：苏州大学迟力峰院士与陈金星副教授通过对商业Ru/C催化剂进行表面改性，实现了对聚烯烃废塑料的高效氢解回收。

全球每年生产近3.8亿吨塑料，其中超过50%为聚烯烃制品。由于聚烯烃结构稳定，在自然界难以降解，导致严重的环境污染问题。此外，塑料源自于石油化工，全球每年产生的塑料废品的总化学能可供数个欧洲国家一年的能源使用。因此，塑料制品的流失也会造成资源浪费。利用化学氢解技术，将废旧聚烯烃转化为燃料化学品是经济可行的路径，然后该体系也存在能耗高、效率低等挑战。

近期，苏州大学迟力峰院士与陈金星副教授通过对商业Ru/C催化剂进行表面改性，实现了对聚烯烃废塑料的高效氢解回收。表面改性的方式简单，仅需将配体与催化剂进行物理混合，在常温条件下即可形成配位，具有在工业应用潜力。相关论文发表在Journal of American Chemical Society。

图1. 催化剂表面配体常温改性方式（部分配位能力弱的配体需要热处理）

一般而言，在催化剂表面修饰配体会减少活性位点数量，导致催化活性降低。作者反其道行之，提出配体表面修饰优化催化剂表面原子的电子结构。经过详细的表征，揭示了有机配体修饰催化剂表面后对催化剂电子结构的影响规律，构建了全新的Ru⁰/Ru⁺协同催化活性位点，促进了聚烯烃氢解决速步骤C-C键断裂。

图2. 传统催化剂在反应条件下为金属态，而改性过后的催化剂使得钌金属即使在还原气氛下仍然保持了Ru^δ+的特性。

作者通过DFT理论计算，揭示了Ru^δ+物种把电子拉向自己降低聚烯烃骨架的C-C键电子云密度并且破坏C-C键的对称性，进而削弱C-C键，降低决速步骤C-C键断裂的活化能，阐述了Ru^δ+物种促进聚烯烃氢解的机制。

图3. Ru^δ+物种促进聚烯烃氢解的机制。

总结

在塑料危机日益严重的今天，对废弃塑料的回收及其内部化学能的再利用将成为化学领域内一个极为重要的问题。作者通过简单的配体修饰，提升了催化剂稳定性和催化活性，并对简单过程的背后蕴含的复杂物理化学机制进行了深刻剖析和解释。这将为工业化聚烯烃降解提供重要的理论依据和催化剂设计指引，而简单的改性方式使得短期产业化成为可能。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Stable Interfacial Ruthenium Species for Highly Efficient Polyolefin Upcycling

Ping Hu, Congyang Zhang, Mingyu Chu, Xianpeng Wang, Lu Wang, Youyong Li, Tianran Yan, Liang Zhang, Zhifeng Ding, Muhan Cao, Panpan Xu, Yifan Li, Yi Cui, Qiao Zhang, Jinxing Chen*, and Lifeng Chi*

J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 7076–7087, DOI: 10.1021/jacs.4c00757

陈金星博士简介

陈金星，苏州大学功能纳米与软物质研究院副教授。2018年于中国科学技术大学取得博士学位，2018年至2021年在美国加州大学河滨分校从事博士后研究，2021年2月起就职于苏州大学。研究领域聚焦资源循环利用、纳米催化。在相关领域发表SCI论文70余篇，包括以第一/通讯作者发表的Nat. Commun.、JACS (2)、Angew. Chem. (4)、Matter (2)、ACS Nano (3)、Nano Lett. (3)等。研究成果曾被Science、C&EN、Scientific American、Phys.org等专题报道。

迟力峰

https://www.x-mol.com/university/faculty/18377

陈金星

https://www.x-mol.com/university/faculty/328647