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浙工大化工郑华均教授团队在聚对苯二甲酸乙二醇酯废塑料电催化转化研究中取得进展

来源:浙江工业大学化学工程学院 发布时间:2025/08/04

       全球塑料消费量的急剧增加,加上不适当的处理策略,引起了国际社会对塑料垃圾的广泛关注。聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)是一种常用的塑料材料,年产量超7000万吨,广泛用于包装和纺织行业。目前只有不到20%PET废物被回收利用,其余的通过垃圾填埋或在自然环境中终止其生命周期;而PET废塑料则主要通过填埋或焚烧等方式处置,造成了严重的能源浪费以及环境污染。通过电催化技术可以在温和的条件下将PET废塑料衍生物乙二醇(EG)转化为高价值的化学品,具有极高的经济价值和环境效益。

       镍(Ni)基催化剂具有优异的导电性和化学稳定性,是一种有潜力的用于电催化氧化PET的电极材料。然而Ni基催化剂对OH-和EG弱的吸附能力严重抑制了其电催化性能的发挥。通过研究发现,贵金属钯(Pd)与Ni基材料的复合能够显著改善电极材料对OH-和EG的吸附能力,进而增强电催化氧化PET的性能。但高成本且低利用效率阻碍了Pd催化剂的大规模商业应用,一个实现金属利用效率和成本效益平衡的可行策略是将Pd纳米颗粒缩小为单个原子。在这个策略实施过程也遇到了一个挑战,即高密度Pd单原子会随机分布在整个载体上,在电催化过程中就会出现Pd纳米团簇的无序聚集,会导致性能下降和使用周期缩短。因此,寻求合适的载体以精准锚定Pd单原子对于获得具有高效PET电氧化性能的催化剂至关重要。

       鉴于此,化学工程学院郑华均教授团队利用缺陷Ni3S2(d-Ni3S2)中的S空位精准锚定Pd单原子(Pd/d-Ni3S2)用于电催化氧化PET衍生物EG合成甲酸(FA),该催化剂具有良好的性能,在1.5Vvs. RHE的电位下电解,实现了EG-FA92.5%的转化率,95.6%的法拉第效率和94.3%的选择性。六次循环后其法拉第效率和选择性仍维持在92.6%以上。研究表明,Pd单原子的锚定不仅促进了d-Ni3S2对OH-和EG的吸附,还促进其重构生成了EG氧化反应的活性位点NiOOH。同时,Pd单原子的引入降低了决速步的能垒,加速了EG-FA的反应动力学。

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催化剂的合成示意图及材料的微结构表征

催化剂结构及表面价态的表征

催化剂电催化氧化PET性能图

       此外,团队设计并组装了用于阳极电催化PET氧化耦合阴极析氢反应的膜电极系统,在阳极获得高价值产物的同时阴极产生氢气。研究结果表明,该系统在运行12h后阳极获得了12.24mmol FA,同时阴极产生了11.64mmol的H2。

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阳极电催化PET氧化耦合阴极析氢反应的膜电极系统示意图

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       该成果以“Anchoring Pd single atoms through S vacancies of defective nickel-sulfur for efficient electrocatalytic polyethylene terephthalate oxidation coupled with hydrogen evolution”为题发表于国际知名学术刊物《Journal of Materials Chemistry A》。论文通讯作者为郑华均教授、贾毅教授等,第一作者为化工学院博士后战明明,学校电镜中心的朱艺涵教授参与催化材料的表征工作。该研究得到国家自然科学基金,浙江省自然科学基金等项目的资助。