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東華大學(xué)楊建平/復(fù)旦大學(xué)李偉 PNAS:揭示PdAg合金氣凝膠中配體效應(yīng)和應(yīng)變效應(yīng)在PET升級回收的協(xié)同機制
2024-04-23  來源:高分子科技
關(guān)鍵詞:PET升級回收 催化劑 氣凝膠

  聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)作為一種廣泛用于包裝和紡織品制造的聚合物,全球年產(chǎn)量已超過7000萬噸。巨大的塑料市場需求必然導(dǎo)致廢棄PET塑料的快速積累,占據(jù)了全球固體廢棄物的12%。廢棄PET在自然條件下的降解周期極為漫長,緩慢釋放的微納塑料和有毒添加劑嚴(yán)重威脅生態(tài)環(huán)境安全和人體健康。同時,目前以焚燒、填埋為主的廢棄PET管理策略也導(dǎo)致了碳質(zhì)資源的巨大浪費。因此,發(fā)展綠色高效的PET升級回收技術(shù)尤為重要。由于優(yōu)異的可持續(xù)性和環(huán)境兼容性,可再生能源驅(qū)動的電催化技術(shù)成為溫和條件下PET塑料資源化的有力競爭者。


  PET電化學(xué)重整由水解和電解兩個步驟組成,首先在堿性條件下催化PET的水解得到乙二醇(EG)和對苯二甲酸(TPA,然后在水溶液中對EG進行電化學(xué)氧化升級,得到甲酸FA或乙醇酸GA等高價值化學(xué)品。由于貴金屬基催化劑,如鉑(Pt)、鈀(Pd)、金(Au),具有較高的C?C鍵斷裂能壘,在電催化EG氧化中傾向于生成價值更高的GA。然而,貴金屬催化劑和關(guān)鍵中間體之間的強相互作用導(dǎo)致了產(chǎn)物過度氧化、活性位點毒化等問題,使催化劑的活性、穩(wěn)定性、以及法拉第效率難以有效提升?紤]到催化劑表面對中間體的吸附行為在PET電化學(xué)重整中的重要影響,調(diào)控催化活性中心的局域結(jié)構(gòu)提升GA電合成性能尤為關(guān)鍵。



  近日,東華大學(xué)楊建平研究員和復(fù)旦大學(xué)李偉教授等人報道了一種用于催化活性中心局域結(jié)構(gòu)調(diào)控的合金化策略,用于提升PET電合成GA的活性和法拉第效率,同時抑制催化劑的毒化失活。作者制備了組分可調(diào)的PdxAgy合金氣凝膠,并研究了Ag原子的引入對合金催化劑的電子結(jié)構(gòu)、晶格結(jié)構(gòu)等方面的調(diào)控作用。用于PET的電催化重整時,Pd67Ag33表現(xiàn)出9.7 A mgPd-1的高質(zhì)量活性92.7%GA法拉第效率,是當(dāng)前選擇性GA合成中的活性最高的電催化劑。通過原位實驗和計算模擬探究了Ag的引入誘導(dǎo)的配體效應(yīng)和應(yīng)變效應(yīng)對關(guān)鍵反應(yīng)物中(*COCH2OH*OH)的吸附與轉(zhuǎn)化的影響,并揭示了PdAg合金催化劑中應(yīng)變和配體效應(yīng)的協(xié)同機制,為未來高性能PET升級回收催化劑的設(shè)計提供了指導(dǎo)。此外,這項工作還進一步研究了Pd67Ag33催化劑在二氧化碳還原反應(yīng)CO2RR中的多功能性,并組裝了EGOR//CO2RR一體化電解槽,為廢碳資源PETCO2)的資源化提供了開創(chuàng)性的示范。 


1A-B)經(jīng)像差校正的HAADF-STEM圖像3-10b插圖為Pd67Ag33FFT像);CPd67Ag33HAADF-STEM及相應(yīng)的元素測繪圖。(D-EPdPd67Ag33IFFT圖像插圖對應(yīng)晶格間距。(FPdPd67Ag33的晶格展開示意圖。(G-IGPA處理后的xx、yy、xy方向的平面應(yīng)變張量圖(綠色至深藍色為壓縮應(yīng)變,紅色至亮黃色為拉伸應(yīng)變)。 


2APdPd67Ag33不同電解液中LSV曲線;(BTafel斜率曲線;(CCV曲線。D電位為1.0 v時不同轉(zhuǎn)移電量1H NMR;(E)不同電位下PdPd67Ag33GA法拉第效率;(F)與先前報道EGOR催化劑的質(zhì)量活性比較,空心符號表示非選擇性EGOR催化劑,實心符號為選擇性GA合成催化劑;(GPd67Ag33GA生產(chǎn)穩(wěn)定性評估。 


3A1 M KOH電解液中PdPd67Ag33CV曲線;(B-COEREGOR過程中的EPR譜圖:(BOER,(CEGOR;(D使用香豆素0.2 mM指示劑檢測電解質(zhì)中?OH自由基的熒光光譜;(E-FPdPd67Ag33EGOR過程的電化學(xué)原位FTIR光譜。 


4 DFT計算。(APdPd67Ag33PDOS優(yōu)化后的PdPd67Ag33結(jié)構(gòu)模型;B*EG、*OH*CO、*OCCH2OHPd111)和Pd67Ag33111表面的吸附能計算CPd67Ag33111)和Pd111)選擇性EG氧化反應(yīng)的自由能圖(圖bc的插吸附分子Pd67Ag33上最有利的能量吸附構(gòu)型);(DPdPd67Ag33EG-GA轉(zhuǎn)化機理圖。


  這項工作不僅為未來高性能GA電合成催化劑的設(shè)計與調(diào)控提供啟發(fā)性見解,還為廢碳資源到高價值化學(xué)品的協(xié)同轉(zhuǎn)化提出了可持續(xù)的道路。相關(guān)研究在《美國國家科學(xué)院院刊》(Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,PNAS.)發(fā)表題為“Unveiling synergy of strain and ligand effects in metallic aerogel for electrocatalytic polyethylene terephthalate upcycling”的研究論文,東華大學(xué)材料學(xué)院博士研究生陳俊良為第一作者,楊建平研究員、李偉教授為論文共同通訊作者。本工作也得到了國家重點研發(fā)計劃項目、國家自然科學(xué)基金、上海市科學(xué)技術(shù)委員會項目、中央高;究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助等項目的支持。


  文章信息:Junliang Chen, Fangzhou Zhang, Min Kuang, Li Wang, Huaping Wang, Wei Li*, and Jianping Yang*, Unveiling Synergy of Strain and Ligand Effects in Metallic Aerogel for Electrocatalytic Polyethylene Terephthalate Upcycling. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America2024, 121, e2318853121.

  文章鏈接:https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2318853121

  DOI: 10.1073/pnas.2318853121.

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