JACS: 生物質和塑料廢物電催化生成聚合物單體和氫燃料！

• 【導讀】

將生物質和塑料廢物轉化為增值化學品和燃料是一個有利于資源利用的升級循環過程。電催化可以由可再生電力（太陽能、風能和水力）驅動，并在溫和的條件下（室溫和大氣壓）運行，賦予它一種可持續的廢物上循環方法。然而，提高電流密度和以高選擇性輸送市場需求的化學品仍然是一個巨大的挑戰。

二、【成果掠影】

近日，北京化工大學栗振華和清華大學段昊泓副教授展示了一種電催化策略，將甘油（來自生物柴油副產品）合成乳酸，將乙二醇（來自聚對苯二甲酸乙二醇酯廢物）合成乙醇酸，這兩種產品都是可生物降解聚合物生產的有價值單體。通過使用氫氧化鎳負載的金電催化劑（Au/Ni(OH)₂），在中等電位下（0.95 V vs RHE時為317.7 mA/cm²，1.15 V vs RHE下為326.2 mA/cm²）實現了乳酸和乙醇酸的高選擇性（分別為77%和91%）。相關工作以“Electrocatalytic Upcycling of Biomass and Plastic Wastes to Biodegradable Polymer Monomers and Hydrogen Fuel at High Current Densities”為題在Journal of the American Chemical Society上發表。

三、【核心創新點】

√作者設計了一種在工業相關電流下運行的雙電極膜自由流電解槽。在GLY/EG電氧化中，實現了分別為56.9和36.8 mmol/h的LA和GA生產率，其電力輸入（3.1?3.2 kWh/m³ H₂）低于先進的水電解系統（~4.2 kWh/m³ H₂），分別獲得11.2 g LA（產率38.4%）和9.3 L H₂以及13.7 g GA（產率81.6%）和9.4 L H₂，揭示了以可持續方式從廢物中聯合生產有價值的化學品和H₂燃料的潛力。

?四、【數據概覽】

示意圖1甘油（來自生物柴油副產物）和乙二醇（來自聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）廢物）分別電催化上循環至LA和GA，其產物是可生物降解塑料單體生產的重要單體。?2023 American Chemical Society

圖1 （a）GLY（左）和EG（右）在不同催化劑上的3M KOH和0.3M基質中電氧化的LSV曲線，掃描速率為10mV/s。（b）文獻中Au基催化劑上醇電氧化的電流密度和本工作中的GLY/EG氧化。（c）GLY的轉化率和LA在不同電位下相對于Au/Ni(OH)₂的相應選擇性。（d）GLY（頂部）和EG（底部）的轉化率，以及LA（頂部）與GA（底部）在不同催化劑上的相應選擇性。（e） Au/Ni(OH)₂上GLY（上）和EG（下）電氧化的動力學曲線。（f）甘油在Au/Ni(OH)₂上氧化過程中記錄的紅外光譜。（g）提出了GLY電氧化為LA（頂部）和EG電氧化為GA（底部）的反應機理。?2023 American Chemical Society

圖2 （a）Au/Ni (OH)₂催化劑的SEM圖像。（b） 在0.95V下Au和Au/Ni(OH)₂上的GLY氧化的TOF值與RHE。（c）在具有或不具有0.3M GLY的3M KOH中，在10mV/s的掃描速率下Ni(OH)₂/Au和Au電極的LSV曲線。（d）在具有不同濃度GLY的3M KOH中，Au/Ni(OH)₂和Au在0.95V相對于RHE下的電流密度。（e） Au/Ni(OH)₂和Au上吸附的GLY的氧化電荷值（Q_Ox（GLY））。?2023 American Chemical Society

圖3（a）在具有0.3M GLY的3M KOH中，在0.95V相對于RHE的不同樣品上的GLY的轉化率。（b）吸附在純Au和Ni(OH)₂ /Au上的GLY的原位FTIR光譜。（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硼酸鹽的情況下的氧化電荷。（d） 在具有0.3M GLY和不同濃度KOH的電解質中，Au/Ni(OH)₂和Au在0.95V相對于RHE的電流密度。（e）醇鹽形式的GLY分別在Au、Ni(OH)₂和Au/Ni(OH)₂中的吸附能。（f）甘油醇鹽在Au/Ni(OH)₂界面的吸附構型的示意圖。?2023 American Chemical Society

圖4（a）帶有三個單元的疊層膜自由流電解槽的照片和示意圖。（b，d）Au/Ni(OH)₂在3 M KOH中1.4 V時的I?t曲線，（b）1 M GLY和（d）1 M EG在堆疊式電解槽中。（c，e）（c）LA和（e）GA的產率，以及對應的Ni陰極在1.4V、3M KOH和1M GLY/EG下的相應H₂產率。?2023 American Chemical Society

圖5 （a）甘油三酯和（b）廢PET瓶的電催化升級過程示意圖。顯示了原料和產品的照片。?2023 American Chemical Society

五、【成果啟示】

本文報道的在Au/Ni(OH)₂催化劑上，在高電流密度下GLY選擇性電氧化為LA和EG選擇性電氧化至GA。實驗和理論研究表明，醇鹽形式的GLY和EG可以通過與Au的σ鍵和與Ni(OH)₂的氫鍵在Au/Ni(OH)₂中界面富集，然后被Au上產生的OH*氧化。因此，該催化劑在中等電位下電氧化GLY（在0.95V vs RHE時為317.7mA/cm²）和EG（在1.15V vs RHE時為326.2mA/cm²，以及LA（77%）和GA（91%）時實現了高電流密度。在實際的雙電極膜自由流電解槽中進一步實現了在工業相關電流密度下的反應。此外，該技術可以有效地轉化從食用油和PET塑料中提取的GLY和EG。這項工作為廢棄原料的電催化上循環轉化為有價值的可生物降解塑料單體和H₂燃料提供了一種很有前途的方法。

原文詳情：https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/jacs.2c11861

本文由圖圖供稿