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東華大學楊建平/復旦大學李偉 PNAS:揭示PdAg合金氣凝膠中配體效應和應變效應在PET升級回收的協同機制
2024-04-23  來源:高分子科技

  聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)作為一種廣泛用于包裝和紡織品制造的聚合物,全球年產量已超過7000萬噸。巨大的塑料市場需求必然導致廢棄PET塑料的快速積累,占據了全球固體廢棄物的12%廢棄PET在自然條件下的降解周期極為漫長,緩慢釋放的微納塑料和有毒添加劑嚴重威脅生態環境安全和人體健康。同時,目前以焚燒、填埋為主的廢棄PET管理策略也導致了碳質資源的巨大浪費。因此,發展綠色高效的PET升級回收技術尤為重要。由于優異的可持續性和環境兼容性,可再生能源驅動的電催化技術成為溫和條件下PET塑料資源化的有力競爭者。


  PET電化學重整由水解和電解兩個步驟組成,首先在堿性條件下催化PET的水解得到乙二醇(EG)和對苯二甲酸(TPA,然后在水溶液中對EG進行電化學氧化升級,得到甲酸FA或乙醇酸GA等高價值化學品。由于貴金屬基催化劑,如鉑(Pt)、鈀(Pd)、金(Au),具有較高的C?C鍵斷裂能壘,在電催化EG氧化中傾向于生成價值更高的GA。然而,貴金屬催化劑和關鍵中間體之間的強相互作用導致了產物過度氧化、活性位點毒化等問題,使催化劑的活性、穩定性、以及法拉第效率難以有效提升。考慮到催化劑表面對中間體的吸附行為在PET電化學重整中的重要影響,調控催化活性中心的局域結構提升GA電合成性能尤為關鍵



  近日,東華大學楊建平研究員和復旦大學李偉教授等人報道了一種用于催化活性中心局域結構調控的合金化策略,用于提升PET電合成GA的活性和法拉第效率,同時抑制催化劑的毒化失活。作者制備了組分可調的PdxAgy合金氣凝膠,并研究了Ag原子的引入對合金催化劑的電子結構、晶格結構等方面的調控作用。用于PET的電催化重整時,Pd67Ag33表現出9.7 A mgPd-1的高質量活性92.7%GA法拉第效率,是當前選擇性GA合成中的活性最高的電催化劑。通過原位實驗和計算模擬探究了Ag的引入誘導的配體效應和應變效應對關鍵反應物中(*COCH2OH*OH)的吸附與轉化的影響,并揭示了PdAg合金催化劑中應變和配體效應的協同機制,為未來高性能PET升級回收催化劑的設計提供了指導。此外,這項工作還進一步研究了Pd67Ag33催化劑在二氧化碳還原反應CO2RR中的多功能性,并組裝了EGOR//CO2RR一體化電解槽,為廢碳資源PETCO2)的資源化提供了開創性的示范 


1A-B)經像差校正的HAADF-STEM圖像3-10b插圖為Pd67Ag33FFT像);CPd67Ag33HAADF-STEM及相應的元素測繪圖。(D-EPdPd67Ag33IFFT圖像插圖對應晶格間距。(FPdPd67Ag33的晶格展開示意圖。(G-IGPA處理后的xxyyxy方向的平面應變張量圖(綠色至深藍色為壓縮應變,紅色至亮黃色為拉伸應變)。 


2APdPd67Ag33不同電解液中LSV曲線;(BTafel斜率曲線;(CCV曲線。D電位為1.0 v時不同轉移電量1H NMR;(E)不同電位下PdPd67Ag33GA法拉第效率;(F)與先前報道EGOR催化劑的質量活性比較空心符號表示非選擇性EGOR催化劑,實心符號為選擇性GA合成催化劑;(GPd67Ag33GA生產穩定性評估 


3A1 M KOH電解液中PdPd67Ag33CV曲線;(B-COEREGOR過程中的EPR譜圖:(BOER,(CEGOR;(D使用香豆素0.2 mM指示劑檢測電解質中?OH自由基的熒光光譜;(E-FPdPd67Ag33EGOR過程的電化學原位FTIR光譜 


4 DFT計算。(APdPd67Ag33PDOS優化后的PdPd67Ag33結構模型;B*EG*OH*CO*OCCH2OHPd111)和Pd67Ag33111表面的吸附能計算CPd67Ag33111)和Pd111)選擇性EG氧化反應的自由能圖(圖bc的插吸附分子Pd67Ag33上最有利的能量吸附構型);(DPdPd67Ag33EG-GA轉化機理圖。


  這項工作不僅為未來高性能GA電合成催化劑的設計與調控提供啟發性見解,還為廢碳資源到高價值化學品的協同轉化提出了可持續的道路。相關研究在《美國國家科學院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of AmericaPNAS.)發表題為“Unveiling synergy of strain and ligand effects in metallic aerogel for electrocatalytic polyethylene terephthalate upcycling”的研究論文,東華大學材料學院博士研究生陳俊良為第一作者,楊建平研究員、李偉教授為論文共同通訊作者。本工作也得到了國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金、上海市科學技術委員會項目、中央高校基本科研業務費專項資金資助等項目的支持。


  文章信息:Junliang Chen, Fangzhou Zhang, Min Kuang, Li Wang, Huaping Wang, Wei Li*, and Jianping Yang*, Unveiling Synergy of Strain and Ligand Effects in Metallic Aerogel for Electrocatalytic Polyethylene Terephthalate Upcycling. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America2024, 121, e2318853121.

  文章鏈接:https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2318853121

  DOI: 10.1073/pnas.2318853121.

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