乔世璋院士Science子刊:探讨光催化废塑料利用
塑料产品的广泛使用需要适当的报废管理,以减少垃圾填埋场的环境威胁并从废物中回收增值产品。聚乙烯 (PE) 等聚烯烃占所有塑料废物的 60% 以上 。然而,PE 废物现在通过高温(>400°C)热解或气化进行加工,产品成分复杂(包括碳氢化合物气体、油、蜡和焦炭),并且能耗很高。尽管已经开发了不同的反应系统(例如芬顿和化学氧化)来实现PE废物的低温分解,但增值产品的选择性生产和分离仍然具有实际挑战性。
太阳能驱动的光催化技术为在环境条件下进行化学转化提供了一种清洁、可持续的方法。在低温解聚的同时,它有望在温和条件下通过中间体将聚乙烯废料光催化转化为有价值的燃料和化学品。乙烯(C2H4)是一种重要的化学原料,工业上通过高温(>800°C)蒸汽裂解提取乙烯。聚乙烯废料是一种尚未开发的生成 C2H4 的资源,但太阳能驱动的聚乙烯到 C2H4 的转化实际上很困难。非极性聚合物的化学惰性和自由基中间体不可控的反应性阻碍了聚乙烯的转化和产品选择性。此外,C2H4 还被用作生产有价丙酸的原料,例如 Reppe 工艺。这种工业工艺仍然需要较高的压力/温度,并且会产生副产品。相比之下,从塑料废弃物中光催化合成丙酸是一条更可持续、更环保的途径。尽管具有这样的潜力,但在温和的条件下将塑料废料选择性地转化为 C2H4 和丙酸却极具挑战性,很少有人对此进行探索。
在此,阿德莱德大学乔世璋教授,冉景润展示了一种原子工程策略,用可逆钯物种修饰二氧化钛光催化剂,在温和条件下通过二羧酸中间体将聚乙烯选择性转化为乙烯(C2H4)和丙酸。
相关成果以“Photocatalytic production of ethylene and propionic acid from plastic waste by titania-supported atomically dispersed Pd species”为题,发表在《Science Advances》。
亮点一:二氧化钛支撑的原子分散钯物种的 C2H4 生产速度为 531.2 μmol gcat-1 h-1,是原始二氧化钛的 408 倍。
亮点二:液态产物是一种高价值的丙酸,选择性为 98.8%。在氧化和 3 h光反应过程中实现了塑料转化,C2 碳氢化合物产量为 0.9%,丙酸产量为 6.3%。
亮点三:原位光谱研究证实了原子钯的双重作用:既是电子受体,促进电荷分离/转移,实现高效光氧化;又是介质,稳定反应中间体,实现选择性脱羧。
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