南京农业大学邱博诚教授团队 Small：电化学实现PET塑料瓶增值为C2化学品乙醇酸

2023-05-29 来源：高分子科技

废弃塑料的回收升级利用是实现双碳目标的重要一环。利用电化学手段将废弃塑料水解物增值为可利用的化学品是实现碳循环经济环节中一种具有前景的途径。邱博诚教授课题组前期工作利用人工光合成手段 (ACS Catalysis, 2022, 12, 12823)，实现了PET塑料到C1产物(甲酸)的高值转化。相较于C1产物甲酸，C2产物乙醇酸具有更高的经济价值以及更广阔的市场应用规模，其广泛应用在皮革染色、食品加工、皮肤护理和生物降解材料合成等领域。2020年，乙醇酸市场规模为3.104亿美元，预计到2027年将增至5.315亿美元。

为此，南京农业大学邱博诚教授团队利用腐蚀法在泡沫镍上原位构筑了Pt/γ-NiOOH/NF电催化剂，实现了在低贵金属载量(0.18 mg cm^-2)的前提下低电位(0.55 V vs. RHE)驱动PET塑料选择性氧化制备乙醇酸。该团队通过对比不同乙醇酸制备工艺，发现采用PET塑料为底物，通过电化学制备乙醇酸具有更多优势(如：乙醇酸产率高，副产物少，反应时间短，处理宽浓度范围乙二醇以及较高的经济收益)。这种高活性且稳定的催化剂能在较宽的反应物浓度下在阳极室将乙二醇有效氧化为乙醇酸盐，具有高生产率和高法拉第效率。

当电位固定在在0.55 V vs. RHE下，乙醇酸盐的法拉第效率为97.2%，选择性为98.2%，产生速率为0.14 mmol cm^?2 h^?1。此外，当乙二醇浓度为0.05和0.1 M时，电催化氧化PET塑料水解液生成乙醇酸的收率分别为达到99%和89%。差分电荷密度图显示Pt/γ-NiOOH界面处积聚了大量电荷，这说明在Pt/γ-NiOOH界面边缘区域是有利于吸附乙二醇分子吸附的。密度泛函理论结果表明乙醇酸的生成包括三个去质子化步骤，第一步生成吸附的1,2-二羟基乙基或2-羟基乙氧基，第二步生成吸附的2-羟基乙酰基，第三步生成吸附的乙醇酸，其中影响乙醇酸生成的步骤是第二次去质子化步骤(产生吸附态2-羟基乙酰物种)。通过比较这一决速步骤自由能变化，发现第二次去质子过程在Pt/γ-NiOOH界面上的自由能变化(ΔG = -0.33 eV)低于在Pt表面上的自由能变化(ΔG = 1.14 eV)，证明了Pt/γ-NiOOH界面是有利于产生乙醇酸的。

图1. 乙醇酸生产工艺及经济效益的比较。

图2. Pt/γ-NiOOH/NF催化剂的制备及相关表征。

图3. 乙二醇电化学氧化性质

图4. 膜电极装置下PET水解液选择性氧化性能及产物鉴定。

图5. PET水解液选择性氧化机理探究。

该工作以“Electrochemical Production of Glycolate Fuelled By Polyethylene Terephthalate Plastics with Improved Techno-Economics”为题发表在《Small》上（Small, 2023, DOI: 10.1002/smll.202303693）。该工作由南京农业大学博士研究生杜梦梦在邱博诚教授指导下完成，同时感谢松山湖材料实验室蔡乐娟副研究员在理论计算方面给予的支持。

原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202303693

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（责任编辑：xu）

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