Co-Ga2O3納米片光催化塑料制合成氣

1.文章信息

標題：Plastics-to-syngas photocatalysed by Co–Ga2O3 nanosheets

中文標題：Co-Ga2O3納米片光催化塑料制合成氣

頁碼：National Science Review, Volume 9, Issue 9, September 2022, nwac011

DOI: 10.1093/nsr/nwac011

2. 期刊信息

期刊名：National Science Review (Natl. Sci. Rev.)

ISSN: 2095-5138

2022年影響因子：23.178

分區(qū)信息：中科院1區(qū)Top；JCR分區(qū)（Q1）

涉及研究方向：綜合：綜合

3. 作者信息：徐嘉麒，焦星辰，鄭愷（第一作者），孫永福（通訊作者）中國科學技術大學

4. 光源型號：北京中教金源CEL-HXFUV300（300 W氙燈，全光譜）

文章簡介：

塑料需要數(shù)百年才能自然降解，而它們的化學降解通常需要高溫高壓。 在這里，我們首先利用太陽能在環(huán)境條件下借助水實現(xiàn)可持續(xù)和高效的塑料到合成氣的轉化。例如，商用塑料袋可以通過 Co-Ga2O3 原子層有效地光轉化為可再生合成氣，氫氣和一氧化碳的生成速率分別為 647.8 和 158.3 μmol g?1 h?1。原位表征和標記實驗表明，水被光還原為氫氣，而包括聚乙烯袋、聚丙烯盒和聚對苯二甲酸乙二醇酯瓶在內(nèi)的不可回收塑料被光降解為二氧化碳，二氧化碳進一步被選擇性地光還原為一氧化碳。深入研究表明合成氣生產(chǎn)的效率主要取決于二氧化碳還原過程，因此應設計具有高二氧化碳還原活性的光催化劑，以提高未來塑料到合成氣的轉化效率。 將不可回收塑料光轉化為可再生合成氣的設計理念有助于同時消除“白色污染”并緩解能源危機。

塑料制品（如購物袋、飯盒、礦物瓶等）已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪惺褂脧V泛的人造材料之一。據(jù)估計，全球每年大約會生產(chǎn)3.59億噸塑料，按照這個速度，到2050年自然環(huán)境中將累積約1.2億噸不可回收的塑料垃圾。塑料通常需要數(shù)百年才能自然降解，而它的化學降解通常需要涉及高溫和高壓等條件，成本昂貴?？紤]到塑料垃圾也是豐富的碳資源，因此可以將它們作為原料加以重新利用，制備具有高附加值的化學品。太陽能具有清潔和可再生等優(yōu)點，因此利用太陽能將難以回收的塑料垃圾轉化為有用的碳基化合物是一種很具前景的新技術。

合成氣的主要成分為一氧化碳(CO)和氫氣(H2)，它是一種重要的化工原料?；诖?，研究人員提出了一種綠色環(huán)保的策略，在常溫和常壓下，借助水將塑料垃圾通過光照轉化為清潔、可再生的合成氣。在該工藝中，H2O會被還原為H2，而各種塑料制品，如聚乙烯(PE)塑料袋、聚丙烯(PP)塑料盒、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)塑料瓶等可以被光降解為CO。與耗時的塑料自發(fā)降解相比，該策略利用太陽光和合適的光催化劑實現(xiàn)了塑料的高效降解，而生成的合成氣又可以通過費托合成或者聚合過程得到全新的塑料制品。以PE塑料袋為例，Co-Ga2O3納米片可以高效地將其轉化為合成氣，其中H2和CO的生成速率分別為647.8 μmol g-1 h-1和158.3 μmol g-1 h-1。

進一步的研究表明，合成氣的生成效率主要取決于CO2的還原過程，因此未來應設計出具有高CO2還原活性的光催化劑，以提高光降解塑料制備合成氣的效率。該工作中所提出的利用太陽能將難以回收的塑料轉化成合成氣的策略，有助于同時消除“白色污染”和緩解能源危機。此工作發(fā)表在國內(nèi)著名期刊《National Science Review》上。

我們一致認為本文的創(chuàng)新之處有以下幾點：

1. 實現(xiàn)了塑料的降解

2. 構建了塑料-CO₂-合成氣的體系

3. 催化體系對多種塑料均有作用

圖1.光催化塑料轉化為合成氣性能

圖2.原位紅外和理論計算揭示光催化塑料轉化為合成氣的機理