JACS: 生物质和塑料废物电催化生成聚合物单体和氢燃料！

石浩东大化所 1年前 (2023-06-09) 1848浏览

  • 【导读】

将生物质和塑料废物转化为增值化学品和燃料是一个有利于资源利用的升级循环过程。电催化可以由可再生电力（太阳能、风能和水力）驱动，并在温和的条件下（室温和大气压）运行，赋予它一种可持续的废物上循环方法。然而，提高电流密度和以高选择性输送市场需求的化学品仍然是一个巨大的挑战。

二、【成果掠影】

近日，北京化工大学栗振华和清华大学段昊泓副教授展示了一种电催化策略，将甘油（来自生物柴油副产品）合成乳酸，将乙二醇（来自聚对苯二甲酸乙二醇酯废物）合成乙醇酸，这两种产品都是可生物降解聚合物生产的有价值单体。通过使用氢氧化镍负载的金电催化剂（Au/Ni(OH)2），在中等电位下（0.95 V vs RHE时为317.7 mA/cm2，1.15 V vs RHE下为326.2 mA/cm2）实现了乳酸和乙醇酸的高选择性（分别为77%和91%）。相关工作以“Electrocatalytic Upcycling of Biomass and Plastic Wastes to Biodegradable Polymer Monomers and Hydrogen Fuel at High Current Densities”为题在Journal of the American Chemical Society上发表。

三、【核心创新点】

√作者设计了一种在工业相关电流下运行的双电极膜自由流电解槽。在GLY/EG电氧化中，实现了分别为56.9和36.8 mmol/h的LA和GA生产率，其电力输入（3.1−3.2 kWh/m3H2）低于先进的水电解系统（~4.2 kWh/m3H2），分别获得11.2 g LA（产率38.4%）和9.3 L H2以及13.7 g GA（产率81.6%）和9.4 L H2，揭示了以可持续方式从废物中联合生产有价值的化学品和H2燃料的潜力。

四、【数据概览】

示意图1甘油（来自生物柴油副产物）和乙二醇（来自聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）废物）分别电催化上循环至LA和GA，其产物是可生物降解塑料单体生产的重要单体。©2023 American Chemical Society

图1（a）GLY（左）和EG（右）在不同催化剂上的3M KOH和0.3M基质中电氧化的LSV曲线，扫描速率为10mV/s。（b）文献中Au基催化剂上醇电氧化的电流密度和本工作中的GLY/EG氧化。（c）GLY的转化率和LA在不同电位下相对于Au/Ni(OH)2的相应选择性。（d）GLY（顶部）和EG（底部）的转化率，以及LA（顶部）与GA（底部）在不同催化剂上的相应选择性。（e） Au/Ni(OH)2上GLY（上）和EG（下）电氧化的动力学曲线。（f）甘油在Au/Ni(OH)2上氧化过程中记录的红外光谱。（g）提出了GLY电氧化为LA（顶部）和EG电氧化为GA（底部）的反应机理。©2023 American Chemical Society

图2（a）Au/Ni (OH)2催化剂的SEM图像。（b） 在0.95V下Au和Au/Ni(OH)2上的GLY氧化的TOF值与RHE。（c）在具有或不具有0.3M GLY的3M KOH中，在10mV/s的扫描速率下Ni(OH)2/Au和Au电极的LSV曲线。（d）在具有不同浓度GLY的3M KOH中，Au/Ni(OH)2和Au在0.95V相对于RHE下的电流密度。（e） Au/Ni(OH)2和Au上吸附的GLY的氧化电荷值（QOx（GLY））。©2023 American Chemical Society

图3（a）在具有0.3M GLY的3M KOH中，在0.95V相对于RHE的不同样品上的GLY的转化率。（b）吸附在纯Au和Ni(OH)2/Au上的GLY的原位FTIR光谱。（c）在0.95V vs RHE下，GLY在Au/Ni(OH)2和Au在3M KOH和0.3M GLY中在含有/不含有0.3M硼酸盐的情况下的氧化电荷。（d） 在具有0.3M GLY和不同浓度KOH的电解质中，Au/Ni(OH)2和Au在0.95V相对于RHE的电流密度。（e）醇盐形式的GLY分别在Au、Ni(OH)2和Au/Ni(OH)2中的吸附能。（f）甘油醇盐在Au/Ni(OH)2界面的吸附构型的示意图。©2023 American Chemical Society

图4（a）带有三个单元的叠层膜自由流电解槽的照片和示意图。（b，d）Au/Ni(OH)2在3 M KOH中1.4 V时的I−t曲线，（b）1 M GLY和（d）1 M EG在堆叠式电解槽中。（c，e）（c）LA和（e）GA的产率，以及对应的Ni阴极在1.4V、3M KOH和1M GLY/EG下的相应H2产率。©2023 American Chemical Society

图5（a）甘油三酯和（b）废PET瓶的电催化升级过程示意图。显示了原料和产品的照片。©2023 American Chemical Society

五、【成果启示】

本文报道的在Au/Ni(OH)2催化剂上，在高电流密度下GLY选择性电氧化为LA和EG选择性电氧化至GA。实验和理论研究表明，醇盐形式的GLY和EG可以通过与Au的σ键和与Ni(OH)2的氢键在Au/Ni(OH)2中界面富集，然后被Au上产生的OH*氧化。因此，该催化剂在中等电位下电氧化GLY（在0.95V vs RHE时为317.7mA/cm2）和EG（在1.15V vs RHE时为326.2mA/cm2，以及LA（77%）和GA（91%）时实现了高电流密度。在实际的双电极膜自由流电解槽中进一步实现了在工业相关电流密度下的反应。此外，该技术可以有效地转化从食用油和PET塑料中提取的GLY和EG。这项工作为废弃原料的电催化上循环转化为有价值的可生物降解塑料单体和H2燃料提供了一种很有前途的方法。

原文详情：https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/jacs.2c11861

本文由图图供稿

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