《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(biāo)題：Selective Recycling of Mixed Polyesters via Heterogeneous

Photothermal Catalysis

中文標(biāo)題： 異相光熱催化選擇性回收混合聚酯塑料

頁碼：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(qū)信息： 中科院一區(qū)

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；

文章簡介：

全球塑料產(chǎn)量的激增使得塑料廢棄物處理成為一項(xiàng)嚴(yán)峻的環(huán)境挑戰(zhàn)?；瘜W(xué)回收技術(shù)，通過將塑料廢棄物轉(zhuǎn)化為高附加值化學(xué)品，對推動循環(huán)經(jīng)濟(jì)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(xiàn)有技術(shù)主要針對單一種類的塑料，難以應(yīng)對實(shí)際廢棄物的復(fù)雜性。傳統(tǒng)解聚方法對不同聚酯缺乏選擇性，導(dǎo)致解聚產(chǎn)物中單體混雜，需要進(jìn)行高能耗和復(fù)雜的分離步驟。開發(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)中扮演著關(guān)鍵角色，但利用異相催化劑實(shí)現(xiàn)混合塑料的選擇性解聚面臨多相界面?zhèn)髻|(zhì)的復(fù)雜性挑戰(zhàn)，這導(dǎo)致催化活性和選擇性降低。因此，優(yōu)化傳質(zhì)過程和設(shè)計(jì)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示意圖。

如圖1所示，作者設(shè)計(jì)了通過引入助溶劑的方法來有效解決異相催化體系中的多相界面?zhèn)髻|(zhì)難題，進(jìn)而克服不同聚酯在溶解和擴(kuò)散動力學(xué)上的限制。此外，通過開發(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(jié)構(gòu)表征。

如圖2所示，作者首先采用乙二醇（EG）介導(dǎo)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(yàn)研究中，作者發(fā)現(xiàn)GB-rich CeO2催化劑在光熱條件下對聚碳酸酯（PC）的解聚表現(xiàn)出顯著的催化活性，而對聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）的解聚活性則相對較低。通過對比分析光熱催化與熱催化的效果、調(diào)整助溶劑比例以及改變聚酯混合塑料的比例和反應(yīng)條件（包括反應(yīng)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(jié)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(yīng)15分鐘，雙酚A（BPA）的產(chǎn)率達(dá)到了97.8%，對苯二甲酸酯（BHET）的產(chǎn)率僅為1.7%。當(dāng)反應(yīng)溫度進(jìn)一步提高至190 oC時(shí)，BHET的產(chǎn)率顯著提高至93.4%。這些結(jié)果表明，通過調(diào)節(jié)反應(yīng)溫度，利用GB-rich CeO2催化劑可以實(shí)現(xiàn)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(gòu)-效關(guān)系研究。

如圖4所示，作者通過光熱催化對PC和PET的解聚動力學(xué)進(jìn)行了深入研究。研究結(jié)果表明，在較低溫度條件下，GB-rich CeO2催化劑對PC的解聚表現(xiàn)出顯著的催化活性，而對PET的解聚活性則相對較低。當(dāng)溫度升高時(shí)，GB-rich CeO2催化劑對PET的解聚也表現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性，并且對PC和PET解聚表現(xiàn)出較大的活化能差異。因此，通過精細(xì)調(diào)控反應(yīng)溫度，可以實(shí)現(xiàn)PC和PET混合塑料的選擇性解聚。研究人員通過密度泛函理論（DFT）計(jì)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(jì)算結(jié)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(xiàn)出不同的吸附能，且在解聚反應(yīng)中，EG和DPC分子解聚的決速步驟存在顯著差異，這些差異在反應(yīng)中起到了關(guān)鍵作用。這些理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)觀察結(jié)果相吻合，進(jìn)一步驗(yàn)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(jì)分析。

如圖6所示，作者通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(jié)能減排方面展現(xiàn)出顯著的優(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(yīng)用潛力。

本研究成功開發(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。通過設(shè)計(jì)并合成GB-rich CeO2催化劑，在光熱條件下實(shí)現(xiàn)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(jì)分析結(jié)果表明，該方法在實(shí)際應(yīng)用中具有巨大潛力。與傳統(tǒng)熱催化方法相比，光熱催化技術(shù)在節(jié)能減排方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，為塑料廢棄物的高效綠色回收提供了有力支持。