|
 |
图1 生物质光电催化定向转化制备甲酸
图2 废塑料大分子直接沉积定向转化制备碳纳米管和氢气
在国家自然科学基金项目（批准号：51822604）等资助下，东南大学张会岩教授团队在生物质和废塑料定向高值利用领域取得新进展。相关研究成果分别以“光电化学电池中利用太阳能、生物质和二氧化碳制备可再生甲酸 （Renewable formate from sunlight, biomass and carbon dioxide in a photoelectrochemical cell）”和“基于多层不锈钢催化剂的废塑料热解-催化升级利用（Pyrolysis-catalysis upcycling of waste plastic using a multilayer stainless-steel catalyst towards a circular economy）”为题发表在《自然•通讯》（Nature Communications）和《美国科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America）上，论文链接分别为：https://www.nature.com/articles/s41467-023-36726-3；https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2305078120。
生物质和废塑料的高值化利用对解决当前全球面临的能源危机和环境污染等问题具有重要意义。但与化石原料相比，生物质和废塑料具有来源广泛、成分复杂、高值利用困难等特点，如何高选择性地定向高值利用是一项巨大的挑战。在众多生物质和废塑料回收利用技术中，低温光电转化和催化热解因其工艺简单、转化条件温和、产品收率高等优势备受瞩目。
针对生物质热转化过程中易结焦、产品选择性低等问题，研究团队开发设计了一种高选择性断裂生物质C-C连接键的光电催化系统，以葡萄糖为模化物，在光阳极上C-C键断裂生成甲酸的选择性接近100%。以杨木屑、稻草或竹子等原生生物质为反应原料，甲酸选择性超过90%。光阳极反应是连续断键过程，通过不断生成分子量更小的醛糖，最终变成甲酸，光阴极氢气产率大幅提升。另外，将光阳极生物质氧化和光阴极CO2还原过程耦合匹配，可以在太阳光驱动下实现无偏压的阴阳极共催化产甲酸，系统综合法拉第效率超过160%，突破了传统不含生物质光电催化系统的极限。
针对现有塑料催化热解过程中粉末催化剂存在沉积速率低、碳氢转化率低、产品选择性低、难以循环利用等瓶颈问题，团队开发了一种可重复使用的改性多层不锈钢金属基底催化剂，能够高产率、高速率地将废塑料催化热解为高性能多壁碳纳米管和氢气，同时实现催化剂的多次循环利用。论文在传统小分子沉积的基础上，率先提出并发展了大分子直接沉积的概念（Macromolecule Chemical Vapor Deposition，MCVD），大幅提高了沉积速率和效率。该催化剂用于催化聚苯乙烯类废塑料获得86%和70%的碳原子和氢原子回收率（碳管质量产率达78.2%，尾气中氢气浓度达93%），远超目前粉末催化剂，该方法亦适用于聚乙烯、聚丙烯等多种类型的废塑料或混合塑料。此外，利用超声波可实现碳纳米管和催化剂的有效分离，在10次循环后，催化剂对废塑料碳原子回收率仅下降5%。制备的多壁碳纳米管在锂离子电池和吸波剂方面应用潜力巨大。
上述成果为生物质和废塑料的高值化利用提供了新途径，对其规模化利用具有重要的借鉴意义。