《文章投稿》異相光熱催化選擇性回收混合聚酯塑料

1. 文章信息

標題：Selective Recycling of Mixed Polyesters via Heterogeneous

Photothermal Catalysis

中文標題： 異相光熱催化選擇性回收混合聚酯塑料

頁(yè)碼：2412740

DOI：10.1002/adma.202412740  

2. 文章鏈接

 https://doi.org/10.1002/adma.202412740

3. 期刊信息

期刊名：Advanced Materials

ISSN：1521-4095

2024年影響因子：27.4

分區信息： 中科院一區 

涉及研究方向： 光熱催化塑料回收 

4. 作者信息：第一作者是 劉鈺 。通訊作者為 陳金星 。

5.文章所用產(chǎn)品：CEL-HXF300氙燈光源；

 文章簡(jiǎn)介：

全球塑料產(chǎn)量的激增使得塑料廢棄物處理成為一項嚴峻的環(huán)境挑戰?；瘜W(xué)回收技術(shù)，通過(guò)將塑料廢棄物轉化為高附加值化學(xué)品，對推動(dòng)循環(huán)經(jīng)濟具有重要意義。聚酯塑料占塑料廢棄物的15%，其解聚能產(chǎn)生高附加值單體，因此回收聚酯塑料具有重大意義。然而，現有技術(shù)主要針對單一種類(lèi)的塑料，難以應對實(shí)際廢棄物的復雜性。傳統解聚方法對不同聚酯缺乏選擇性，導致解聚產(chǎn)物中單體混雜，需要進(jìn)行高能耗和復雜的分離步驟。開(kāi)發(fā)具有選擇性的解聚方法對于提高回收效率和降低成本至關(guān)重要。異相催化劑在化學(xué)工業(yè)中扮演著(zhù)關(guān)鍵角色，但利用異相催化劑實(shí)現混合塑料的選擇性解聚面臨多相界面傳質(zhì)的復雜性挑戰，這導致催化活性和選擇性降低。因此，優(yōu)化傳質(zhì)過(guò)程和設計高效催化劑對于提升異相催化選擇性解聚的效率和選擇性至關(guān)重要。

圖1. 不同催化體系中聚酯解聚路線(xiàn)示意圖。

如圖1所示，作者設計了通過(guò)引入助溶劑的方法來(lái)有效解決異相催化體系中的多相界面傳質(zhì)難題，進(jìn)而克服不同聚酯在溶解和擴散動(dòng)力學(xué)上的限制。此外，通過(guò)開(kāi)發(fā)高效異相催化劑進(jìn)一步提升混合聚酯塑料的回收效率和選擇性。

圖2. GB-rich CeO₂納米顆粒的合成和結構表征。

如圖2所示，作者首先采用乙二醇（EG）介導的縮合方法，并精確控制合成條件，成功制備出具有豐富Ce3+缺陷和氧空位（Ov）的富含晶界CeO2納米顆粒（GB-rich CeO2）。利用X射線(xiàn)光電子能譜（XPS）、拉曼光譜（Raman）和電子順磁共振（EPR）等表征技術(shù)，證實(shí)了GB-rich CeO2納米顆粒中Ce3+和Ov的存在。

圖3. 光熱催化選擇性回收混合聚酯塑料的性能研究。

如圖3所示，在光熱催化混合聚酯塑料解聚的實(shí)驗研究中，作者發(fā)現GB-rich CeO2催化劑在光熱條件下對聚碳酸酯（PC）的解聚表現出顯著(zhù)的催化活性，而對聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）的解聚活性則相對較低。通過(guò)對比分析光熱催化與熱催化的效果、調整助溶劑比例以及改變聚酯混合塑料的比例和反應條件（包括反應溫度和時(shí)間），作者進(jìn)一步優(yōu)化了混合聚酯塑料的選擇性解聚性能。研究結果表明，在140 oC的條件下，使用GB-rich CeO2催化劑進(jìn)行光熱催化反應15分鐘，雙酚A（BPA）的產(chǎn)率達到了97.8%，對苯二甲酸酯（BHET）的產(chǎn)率僅為1.7%。當反應溫度進(jìn)一步提高至190 oC時(shí)，BHET的產(chǎn)率顯著(zhù)提高至93.4%。這些結果表明，通過(guò)調節反應溫度，利用GB-rich CeO2催化劑可以實(shí)現對混合聚酯塑料的選擇性解聚。

圖4. GB-rich CeO₂催化劑選擇性解聚PC/PET混合塑料構-效關(guān)系研究。

如圖4所示，作者通過(guò)光熱催化對PC和PET的解聚動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了深入研究。研究結果表明，在較低溫度條件下，GB-rich CeO2催化劑對PC的解聚表現出顯著(zhù)的催化活性，而對PET的解聚活性則相對較低。當溫度升高時(shí)，GB-rich CeO2催化劑對PET的解聚也表現出優(yōu)異的催化活性，并且對PC和PET解聚表現出較大的活化能差異。因此，通過(guò)精細調控反應溫度，可以實(shí)現PC和PET混合塑料的選擇性解聚。研究人員通過(guò)密度泛函理論（DFT）計算深入探究了PC和PET分子在完整CeO2表面和GB-rich CeO2表面上的吸附及活化能差異。計算結果表明，GB-rich CeO2催化劑表面的Ov對乙二醇二苯甲酸酯（EGD）和對苯二甲酸二苯酯（DPC）模型分子表現出不同的吸附能，且在解聚反應中，EG和DPC分子解聚的決速步驟存在顯著(zhù)差異，這些差異在反應中起到了關(guān)鍵作用。這些理論計算結果與實(shí)驗觀(guān)察結果相吻合，進(jìn)一步驗證了GB-rich CeO2催化劑在選擇性解聚混合聚酯塑料中的高效性和選擇性。

圖5. 真實(shí)混合聚酯廢棄物的梯次解聚。

如圖5所示，作者還利用GB-rich CeO2催化劑，通過(guò)光熱催化將真實(shí)的PET和PC混合塑料梯次解聚為BPA和BHET。

圖6. 光熱催化選擇性回收混合聚酯塑料的技術(shù)經(jīng)濟分析。

如圖6所示，作者通過(guò)技術(shù)經(jīng)濟分析表明，采用異相光熱催化技術(shù)進(jìn)行混合聚酯塑料的選擇性回收，在節能減排方面展現出顯著(zhù)的優(yōu)勢，這表明異相光熱催化技術(shù)在混合塑料廢棄物回收領(lǐng)域具有重要的應用潛力。

本研究成功開(kāi)發(fā)了一種新型異相光熱催化技術(shù)，用于選擇性回收混合聚酯塑料，為塑料廢棄物的高效回收提供了創(chuàng )新解決方案。通過(guò)設計并合成GB-rich CeO2催化劑，在光熱條件下實(shí)現了對PET和PC混合塑料的選擇性解聚，成功獲得了高純度的BPA和BHET單體。技術(shù)經(jīng)濟分析結果表明，該方法在實(shí)際應用中具有巨大潛力。與傳統熱催化方法相比，光熱催化技術(shù)在節能減排方面展現出顯著(zhù)優(yōu)勢，為塑料廢棄物的高效綠色回收提供了有力支持。