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異相光熱催化選擇性回收混合聚酯塑料
發(fā)布時間：2024-07-28 瀏覽量：413
1. 文章信息
標題：Selective Recycling of Mixed Polyesters via Heterogeneous
Photothermal Catalysis
中文標題： 異相光熱催化選擇性回收混合聚酯塑料
頁碼：2412740
DOI：10.1002/adma.202412740
2. 文章鏈接
https://doi.org/10.1002/adma.202412740
3. 期刊信息
期刊名：Advanced Materials
ISSN：1521-4095
2024年影響因子：27.4
分區(qū)信息： 中科院一區(qū)
涉及研究方向： 光熱催化塑料回收
4. 作者信息：第一作者是 劉鈺 。通訊作者為 陳金星 。
5.文章所用產品：CEL-HXF300氙燈光源；
文章簡介：
全球塑料產量的激增使得塑料廢棄物處理成為一項嚴峻的環(huán)境挑戰(zhàn)。化學回收技術，通過將塑料廢棄物轉化為高附加值化學品，對推動循環(huán)經濟具有重要意義。聚酯塑料占塑料廢棄物的15%，其解聚能產生高附加值單體，因此回收聚酯塑料具有重大意義。然而，現(xiàn)有技術主要針對單一種類的塑料，難以應對實際廢棄物的復雜性。傳統(tǒng)解聚方法對不同聚酯缺乏選擇性，導致解聚產物中單體混雜，需要進行高能耗和復雜的分離步驟。開發(fā)具有選擇性的解聚方法對于提高回收效率和降低成本至關重要。異相催化劑在化學工業(yè)中扮演著關鍵角色，但利用異相催化劑實現(xiàn)混合塑料的選擇性解聚面臨多相界面?zhèn)髻|的復雜性挑戰(zhàn)，這導致催化活性和選擇性降低。因此，優(yōu)化傳質過程和設計高效催化劑對于提升異相催化選擇性解聚的效率和選擇性至關重要。
圖1. 不同催化體系中聚酯解聚路線示意圖。
如圖1所示，作者設計了通過引入助溶劑的方法來有效解決異相催化體系中的多相界面?zhèn)髻|難題，進而克服不同聚酯在溶解和擴散動力學上的限制。此外，通過開發(fā)高效異相催化劑進一步提升混合聚酯塑料的回收效率和選擇性。
圖2. GB-rich CeO2納米顆粒的合成和結構表征。
如圖2所示，作者首先采用乙二醇（EG）介導的縮合方法，并精確控制合成條件，成功制備出具有豐富Ce3+缺陷和氧空位（Ov）的富含晶界CeO2納米顆粒（GB-rich CeO2）。利用X射線光電子能譜（XPS）、拉曼光譜（Raman）和電子順磁共振（EPR）等表征技術，證實了GB-rich CeO2納米顆粒中Ce3+和Ov的存在。
圖3. 光熱催化選擇性回收混合聚酯塑料的性能研究。
如圖3所示，在光熱催化混合聚酯塑料解聚的實驗研究中，作者發(fā)現(xiàn)GB-rich CeO2催化劑在光熱條件下對聚碳酸酯（PC）的解聚表現(xiàn)出顯著的催化活性，而對聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）的解聚活性則相對較低。通過對比分析光熱催化與熱催化的效果、調整助溶劑比例以及改變聚酯混合塑料的比例和反應條件（包括反應溫度和時間），作者進一步優(yōu)化了混合聚酯塑料的選擇性解聚性能。研究結果表明，在140 oC的條件下，使用GB-rich CeO2催化劑進行光熱催化反應15分鐘，雙酚A（BPA）的產率達到了97.8%，而雙（2-羥乙基）對苯二甲酸酯（BHET）的產率僅為1.7%。當反應溫度進一步提高至190 oC時，BHET的產率顯著提高至93.4%。這些結果表明，通過調節(jié)反應溫度，利用GB-rich CeO2催化劑可以實現(xiàn)對混合聚酯塑料的選擇性解聚。
圖4. GB-rich CeO2催化劑選擇性解聚PC/PET混合塑料構-效關系研究。
如圖4所示，作者通過光熱催化對PC和PET的解聚動力學進行了深入研究。研究結果表明，在較低溫度條件下，GB-rich CeO2催化劑對PC的解聚表現(xiàn)出顯著的催化活性，而對PET的解聚活性則相對較低。當溫度升高時，GB-rich CeO2催化劑對PET的解聚也表現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性，并且對PC和PET解聚表現(xiàn)出較大的活化能差異。因此，通過精細調控反應溫度，可以實現(xiàn)PC和PET混合塑料的選擇性解聚。研究人員通過密度泛函理論（DFT）計算深入探究了PC和PET分子在完整CeO2表面和GB-rich CeO2表面上的吸附及活化能差異。計算結果表明，GB-rich CeO2催化劑表面的Ov對乙二醇二苯甲酸酯（EGD）和對苯二甲酸二苯酯（DPC）模型分子表現(xiàn)出不同的吸附能，且在解聚反應中，EG和DPC分子解聚的決速步驟存在顯著差異，這些差異在反應中起到了關鍵作用。這些理論計算結果與實驗觀察結果相吻合，進一步驗證了GB-rich CeO2催化劑在選擇性解聚混合聚酯塑料中的高效性和選擇性。
圖5. 真實混合聚酯廢棄物的梯次解聚。
如圖5所示，作者還利用GB-rich CeO2催化劑，通過光熱催化將真實的PET和PC混合塑料梯次解聚為BPA和BHET。
圖6. 光熱催化選擇性回收混合聚酯塑料的技術經濟分析。
如圖6所示，作者通過技術經濟分析表明，采用異相光熱催化技術進行混合聚酯塑料的選擇性回收，在節(jié)能減排方面展現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢，這表明異相光熱催化技術在混合塑料廢棄物回收領域具有重要的應用潛力。
本研究成功開發(fā)了一種新型異相光熱催化技術，用于選擇性回收混合聚酯塑料，為塑料廢棄物的高效回收提供了創(chuàng)新解決方案。通過設計并合成GB-rich CeO2催化劑，在光熱條件下實現(xiàn)了對PET和PC混合塑料的選擇性解聚，成功獲得了高純度的BPA和BHET單體。技術經濟分析結果表明，該方法在實際應用中具有巨大潛力。與傳統(tǒng)熱催化方法相比，光熱催化技術在節(jié)能減排方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，為塑料廢棄物的高效綠色回收提供了有力支持。