清华段昊泓、北化栗振华:电催化废塑料、⽣物质⾼值转化,制备⽣物可降解塑料单体耦合制氢

作者: 清华⼤学段昊泓副教授和北京化⼯⼤学栗振华副教授

来源: 学术头条

发布日期: 2023-02-21 18:00:36

清华⼤学的段昊泓副教授和北京化⼯⼤学的栗振华副教授通过构筑含吸附-催化双活性位点的Au/Ni(OH)2协同催化剂,实现了⼯业级⼤电流密度下⽢油和⼄⼆醇选择性催化氧化制备乳酸和⼄醇酸,同时耦合电解⽔制氢。该研究对⽣物质和塑料等废弃资源的升级再造有着重要的科学意义及实际应⽤潜⼒。

将废弃⽣物质和塑料转化为⾼附加值化学品和燃料是实现低值资源⾼值转化利⽤的重要途经。例如,⽢油和⼄⼆醇分别是从⽣物质和塑料转化得到的重要原料。其中,⽢油可以从植物或动物的油脂中通过⽔解⽅式获得,是较为成熟的⽣物柴油制备⼯艺。⽽⼄⼆醇是聚酯类塑料的关键单体,其中PET塑料年产量约7000万吨,市场价格约为1.1美元/公⽄。

然⽽⽬前只有不到20%的PET可通过机械⽅法回收,其余在⾸次使⽤后被丢弃,不仅严重破坏环境,⽽且浪费碳资源。⽢油和⼄⼆醇通过催化氧化制备乳酸和⼄醇酸是实现其⾼值转化的重要途径之⼀。乳酸和⼄醇酸分别是⽣物可降解塑料的重要单体,同时也可作为药物中间体、染料和⾷品添加剂等,被⼴泛应⽤于化⼯、制药等各个领域。

以可再⽣电能为驱动⼒的电解⽔制氢耦合催化氧化技术为实现⽣物质和废塑料的⾼值转化提供了⼀条绿⾊新途径,在制备⾼值含氧化学品的同时联产绿氢,最近受到科研界和企业界的⼴泛关注。然⽽,⽬前电催化⽢油、⼄⼆醇氧化的产物仍以C?C键断裂的甲酸(盐)为主,经济附加值较低。

虽然已有⽂献报导了电催化⽢油、⼄⼆醇制备乳酸以及⼄醇酸,但仍⾯临电流密度低的问题,难以达到⼯业⽣产需求,且法拉第效率和产物选择性仍有待进⼀步提⾼。因此如何实现在⾼电流密度下将⽢油、⼄⼆醇⾼选择性转化为乳酸、⼄醇酸是当前科研⼈员⾯临的⼀个重要挑战。

近期,以电催化废塑料和⽣物质资源⾼值转化耦合电解⽔制氢新⼯艺为研究对象,清华⼤学的段昊泓副教授和北京化⼯⼤学的栗振华副教授通过构筑含吸附-催化双活性位点的Au/Ni(OH)2协同催化剂,强化了反应物在催化剂表⾯的传质吸附和催化过程,实现了⼯业级⼤电流密度下⽢油和⼄⼆醇选择性催化氧化制备乳酸和⼄醇酸,同时耦合电解⽔制氢。

研究表明,⽢油、⼄⼆醇醇盐分⼦可以通过σ键和氢键吸附在Au/Ni(OH)2催化剂上,从⽽实现⽢油、⼄⼆醇在Au-Ni(OH)2界⾯处的吸附富集;此外,Au颗粒作为催化位点⽤于产⽣活性氧物种,实现对吸附⽢油、⼄⼆醇分⼦的选择性催化氧化。

为了验证在模拟⼯况条件下的催化剂性能,作者利⽤⾃制的⽆隔膜电堆实现了⼤电流下⽢油、⼄⼆醇选择性氧化制备乳酸和⼄醇酸,同时阴极联产氢⽓,产氢电耗显著低于⽬前商业碱性电解⽔制氢的电耗。为了进⼀步证明该⼯作的实际应⽤潜⼒,作者分别以⾷⽤油和PET塑料瓶为原料,通过⽔解⼯艺将其转化为粗⽢油和⼄⼆醇,利⽤⽆隔膜电堆成功将粗⽢油、⼄⼆醇⾼值转化为乳酸、⼄醇酸,同时阴极联产氢⽓。

上述研究表明电解⽔制氢耦合催化氧化策略对⽣物质和塑料等废弃资源的升级再造有着重要的科学意义及实际应⽤潜⼒。

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