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近期，中國海洋大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院黃明華教授課題組在電催化塑料升級回收領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，相關(guān)研究論文在催化領(lǐng)域國際頂尖期刊ACS Catalysis上發(fā)表。
石油基聚對苯二甲酸乙二醇酯（簡稱PET）是一種高分子熱塑性材料，是現(xiàn)代工業(yè)與日常生活的重要基礎(chǔ)材料。然而，PET廢棄后在自然條件下通常難以降解，成為白色污染的主要來源，嚴(yán)重威脅生態(tài)環(huán)境安全和人體健康。利用可再生能源驅(qū)動的電化學(xué)方法不僅能夠?qū)ET的水解產(chǎn)物乙二醇氧化為高附加值化學(xué)品，還可以在陰極實現(xiàn)析氫反應(yīng)，從而將未充分利用的碳資源重新引入經(jīng)濟(jì)循環(huán)，助力全球碳中和的可持續(xù)發(fā)展。然而，乙二醇氧化反應(yīng)過程中關(guān)鍵反應(yīng)中間體的吸附機(jī)理尚不明確，這成為提升反應(yīng)效率與選擇性的關(guān)鍵科學(xué)問題。
針對上述難題，黃明華教授課題組通過簡單調(diào)節(jié)電化學(xué)活化時間，成功合成了非晶相CoNiOOH/NF和具有非晶/晶界面的CoNiOOH-Ni3S2/NF，將其作為模型催化劑用于探究乙二醇轉(zhuǎn)化為甲酸鹽的潛在機(jī)制。詳細(xì)表征與理論計算顯示，相較于非晶CoNiOOH/NF，CoNiOOH-Ni3S2/NF的非晶/晶界面的相互作用能夠調(diào)節(jié)電子結(jié)構(gòu)，促使其d帶中心上移至更接近費米能級的位置，從而顯著增強了對乙二醇和OH的吸附能力，這種增強的OH吸附對于促進(jìn)C─C鍵的斷裂及后續(xù)級聯(lián)脫氫步驟至關(guān)重要。通過原位電化學(xué)紅外吸收光譜及理論計算確定了主要反應(yīng)路徑，研究發(fā)現(xiàn)最終產(chǎn)物甲酸鹽的形成主要通過乙醇酸的C─C鍵斷裂并經(jīng)后續(xù)氧化生成。值得一提的是，CoNiOOH-Ni3S2/NF在超低電位1.45 V下實現(xiàn)了500 mA cm?²的工業(yè)級電流密度，法拉第效率高達(dá)96.6%，甲酸鹽產(chǎn)率達(dá)到3.14 mmol cm?² h?¹。研究中還設(shè)計了一種實用的兩電極流動電解槽，展現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性和穩(wěn)定性，成功將6.3 g的對苯二甲酸乙二醇酯原料轉(zhuǎn)化為4.97 g的對苯二甲酸和4.83g的二甲酸鉀。通過精準(zhǔn)調(diào)控活性位點上關(guān)鍵中間體的吸附并深入理解反應(yīng)路徑，該研究為設(shè)計用于PET塑料電化學(xué)升級的高效非貴金屬異質(zhì)界面催化劑提供了重要的理論指導(dǎo)。
該項研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委項目、山東省自然科學(xué)基金重大基礎(chǔ)研究項目以及中央高校經(jīng)費等項目資助，中國海洋大學(xué)為唯一完成單位。本論文的第一作者為2022級博士研究生孫金勇同學(xué)。
