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近年来，环境污染、能源危机、碳排放等引起了一系列社会问题并引发了广泛关注。如今，无处不在的塑料所引发的环境问题亟待解决。 作为应用最广泛的一种塑料，聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）因其优异的性能被应用于许多领域，如 PET 塑料瓶、薄膜、纺织纤维。仅塑料瓶一类，在 2016-2020 年间，全球瓶级 PET 产量便从 2214 万吨增至 2745 万吨。 值得注意的是，目前约有 6% 的化石燃料用于生产塑料。与此同时，1950 年至 2015 年间产生的塑料垃圾中只有 9% 被回收利用。由于自然分解过程相对迟缓，塑料垃圾日渐积累，焚烧、填埋的不科学处理方法，造成了严重的环境污染。 因此，探索高效的策略以回收或循环利用这些废弃的碳资源势在必行。目前，PET 废物的回收方法主要包括机械、生物和化学途径。与机械回收过程后产生的严重降低的机械性能和生物回收过程的低分解率相比，化学途径显示出更大的循环前景。 近年来，上海交通大学环境科学与工程学院的赵一新教授研究团队，持续开展了绿电催化重整 PET 废塑料联产甲酸和氢气的研究，使用光伏技术、风电技术，高效回收利用 PET 废塑料。 近期，他的团队再次成功对 PET 回收利用进行了升级，通过绿电催化氧化 PET 废塑料与 CO2 的还原反应，PET 废塑料可以只转化为甲酸。这不仅增加了甲酸的产出效率，也促进了温室气体 CO2 的资源转化。据估算，利用 “升级版” 回收策略，每回收一吨 PET 废塑料可以创造约 557 美元的经济收益，具有较高的经济价值。 这项研究成果发表在催化领域顶级学术期刊 ACS Catalysis，题为 “Electrocatalytic Valorization of Poly (ethylene terephthalate) Plastic and CO2 for Simultaneous Production of Formic Acid”。
（来源：论文 [1]） 赵一新在能源再生领域有着丰富的研究背景。他 2010 年毕业于凯斯西储大学，获得化学博士学位，主要研究开发应用于能量转化的功能材料。后在宾州州立大学和美国可再生能源国家实验室从事可再生能源方面的研究，包括太阳能电池和光解水。现任上海交通大学教授以及中国化学会能源化学专委会委员，并担任 Journal of Energy Chemistry 等期刊的副主编或编委。2018-2021 年连续四年入选科睿唯安的全球高被引科学家，1 篇论文入选 “2020 年中国百篇最具影响国际学术论文”。 “最初的研究中，我们用可再生'绿电’催化技术，把 PET 转化成了甲酸材料和氢气，降低了传统电解水制氢的能耗。” 赵一新表示。这项研究成果在去年发表于国际学术期刊 Journal of Physical Chemistry Letters。
（来源：论文 [2]） 在这项工作中，该团队对 PET 水解产物在 CuO 纳米线（NW）催化剂上的电催化氧化进行了研究，并探索了乙二醇的氧化反应生成氢气的可能途径。实验证明，NW 电催化剂可以高选择性（选择性约为 86.5%）地破坏从 PET 废弃物中提取的乙二醇的 C−C 键，生成甲酸和氢气，该转化过程的整体法拉第效率约为 88%。且该反应的乙二醇氧化起始点位比水氧化更低，即乙二醇比水更容易通过电解氧化生成氢气。
▲图 | 用于 PET 水解物电重整和析氢的混合电解（来源：论文 [2]） 该研究利用丰富的非贵金属基催化剂 CuO，生产高价值的化学品和绿色氢，为将 PET 塑料废料转化提供了启示。 “升级” 后的转化途径则是利用 NiCO2O4 电催化剂，并将 PET 水解产物氧化反应与 CO2 还原反应耦合。CO2 的加入让这一化学反应因减碳而更加 “环保”，同时使得反应效率更高。 CO2 还原反应（CO2RR）作为一种重要的阴极反应，也被广泛研究以生产可储存燃料和有价值的化学原料。为了降低 CO2RR 系统中阳极的能耗和提高产品价值，研究人员开发了一系列小分子有机反应，可用于替代迟缓的水电解反应。 此外，将适当的阳极半反应耦合，以同时产生相同的目标产物也是可取的。耦合策略不仅可以让阳极和阴极所产生的不同产物的分离变得更加容易，而且可以提高目标产物的生产效率。值得注意的是，甲酸作为一种很有前途的储氢物质，可以在阴极通过电催化还原 CO2 产生，在阳极通过电催化氧化低级醇（如甲醇、乙二醇和甘油）产生。 据此，该团队设计了以下反应：将源自 PET 塑料水解液的乙二醇阳极氧化反应与阴极 CO2RR 相结合，在两个电极同时产生甲酸。
▲图 | 阳极 PET 水解物和阴极 CO2 同时电化学转化为甲酸（来源：论文 [1]） 与传统的电解体系相比，将这两种半反应相结合可以获得一系列的好处：首先，PET 塑料的电解反应可以高效进行，有利于解决塑料污染问题；其次，PET 水解产物氧化反应可以有效降低电解系统的能耗；第三，在阳极和阴极同时生成甲酸可以显着增加目标产品的效率（阳极和阴极甲酸生产分别为 90% 和 82%）。此外，最近还有研究评估了 CO2RR//PET 耦合系统的效益和盈利能力，表明该耦合策略可以实现高净收入。 对于这项技术从实验室走向产业化，赵一新表示，“绿电” 催化升级回收废塑料，还需要克服一系列理论和技术难题：“在回收过程中，需要使用一定的催化剂。低成本、高性能的催化剂能节约成本、降低能耗、增加有用材料的产出率，这类催化剂材料亟待开发和研究。此外，要实现大规模的产业化应用，工艺和设备的开发研制也是未来研究的重点和难点。虽然面临很多难题，但这种废塑料转化技术，为国家发展循环经济和建设低碳型社会提供了一条有效的发展途径，仍然具有广阔的应用和发展前景。” 参考资料： 1. https:///10.1021/acscatal.2c01128 2. https:///10.1021/acs.jpclett.1c03658 3. https://sese./news/view/948 |
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