西湖大學工學院王蕾、文燎勇團隊Cell Reports Physical Science: 天然高分子激光誘導石墨稀制備及應用

【導讀】

隨著我國工業化進程的加快，環境問題也日益嚴峻，特別是溫室氣體的過度排放和清潔水資源的短缺。一方面，CO₂作為主要溫室氣體，其排放量隨著工業和農業活動的增加快速增長。其中，電化學還原方法是其中一種高效環保的方法可將排放的CO₂轉化為多種高附加值的化學品原料。另一方面，礦物開采和化工生產廢水中的重金屬離子和有機微污染物對生態系統和人類健康也構成了嚴重的威脅。

?Figure 1. Schematic drawing of upcycling of post-consumer waste to M-LIG catalysts for producing green chemicals and clean water

【成果掠影】

近日，西湖大學王蕾、文燎勇團隊報道了一種基于激光誘導技術轉化含重金屬殼聚糖為金屬摻雜石墨稀的通用性升級循環策略。例如，銅摻雜石墨烯可作為催化劑被應用于CO₂電化學還原和有機微污染物降解，以便提供一種可持續的戰略來有效、協同地解決溫室氣體過量排放和水污染的問題（Figure 1）。研究成果以“Sustainable upcycling of post-consumer waste to metal-graphene catalysts for green chemicals and clean water”為題發表在Cell出版社旗下新晉高水平期刊 《Cell Reports Physical Science》，西湖大學王蕾課題組博士研究生劉鐘琦、文燎勇課題組胡小松博士為本文共同第一作者，西湖大學工學院文燎勇、王蕾研究員為本文共同通訊作者。

?【圖文導讀】

殼聚糖 (Chitosan) 作為一種從螃蟹等海產品的工業廢物中提取的天然高分子，已被廣泛用于廢水中重金屬離子的吸附。但使用后材料含有的重金屬離子需要被重新解吸或直接連同材料作為危險廢物處理。研究團隊將螯合了不同金屬離子（Cu²⁺、Pd²⁺、 Cd²⁺、Mn²⁺、Zn²⁺、Ni²⁺、Ag⁺ 和 Cr⁶⁺）的殼聚糖薄膜通過激光打印，在空氣環境下直接碳化為金屬摻雜的石墨烯（Metal-doped laser-induced graphene, M-LIG, Figure 2）。同時，通過改變金屬含量和激光參數獲得具有不同金屬價態、氮元素位點和結構的石墨稀材料。在激光條件下，不同于天然高分子被直接分解為氣態分子CO₂，螯合的金屬離子能夠提高殼聚糖薄膜的熱穩定性，降低薄膜的表面溫度。同時，金屬離子在激光打印過程中被還原為金屬單質，并催化碳原子重排生成石墨烯結構。此外，殼聚糖分子擁有大量自由氨基，能夠在石墨烯結構中形成不同的氮元素位點。

Figure 2. Fabrication of M-LIG based on metal-chelated chitosan film

研究團隊以銅摻雜石墨烯（Cu-LIG）作為催化劑，進行了CO₂電還原測試（Figure 3）。以流動池反應中，含碳產物的總法拉第效率（Faraday efficiency, FE）超過80%，其中乙烯作為主要C₂產物，FE約為25%。通過DFT計算，我們預測在CO₂電還原過程中，共同存在的Cu⁺ 和 Cu⁰促進了C-C偶聯過程，有利于C₂產物的生成。

Figure 3. CO₂ER based on Cu-LIG catalysts

同時，研究團隊以Cu-LIG薄膜作為類芬頓反應催化劑，降解污水中六種常見的有機微污染物（Figure 4）。研究結果表明，更容易被回收和循環使用的Cu-LIG薄膜可以高效的催化過氧化氫產生羥基自由基降解污染物。

Figure 4. Organic micropollutants degradation based on Cu-LIG

最后，研究團隊對整個策略進行了系統的生命周期評價（Figure 5）。利用化工過程模擬手段Aspen Plus, 將CO₂電還原、反應器設計、下游產物的進一步轉化和分離進行整合與優化。結果顯示在未來的低碳情景下，利用含廢水重金屬的殼聚糖基石墨烯材料作為催化劑將CO₂電還原為C₂產物可實現顯著的碳減排效益。??

Figure 5. LCA of applications of Cu-LIG catalyst

在這項工作中，研究團隊提出了一種通用的升級回收策略，以應對由多種廢棄物（固廢、廢氣、廢水）引起的環境挑戰及問題。通過一步法激光誘導碳化，我們將含有廢水重金屬離子的殼聚糖成功轉化為 M-LIG，并應用于CO₂電化學還原生產C2產物和高級氧化處理污水中的有機微污染物。總的來說，研究團隊提出的戰略可以為實現低碳、可持續的未來提供一種協同解決方案。該項目得到西湖大學交叉初創中心（MRIC）支持。

原文鏈接:

https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2023.101256