近日，苏州大学陈金星教授团队开发了一种异相光热催化混合聚酯塑料选择性回收的新方法。该研究成果以“Selective Recycling of Mixed Polyesters via Heterogeneous Photothermal Catalysis”为题，发表在国际知名期刊《Advanced Materials》上。
全球塑料产量的激增使得塑料废弃物处理成为一项严峻的环境挑战。化学回收技术，通过将塑料废弃物转化为高附加值化学品，对推动循环经济具有重要意义。聚酯塑料占塑料废弃物的15%，其解聚能产生高附加值单体，因此回收聚酯塑料具有重大意义。然而，现有技术主要针对单一种类的塑料，难以应对实际废弃物的复杂性。传统解聚方法对不同聚酯缺乏选择性，导致解聚产物中单体混杂，需要进行高能耗和复杂的分离步骤。开发具有选择性的解聚方法对于提高回收效率和降低成本至关重要。异相催化剂在化学工业中扮演着关键角色，但利用异相催化剂实现混合塑料的选择性解聚面临多相界面传质的复杂性挑战，这导致催化活性和选择性降低。因此，优化传质过程和设计高效催化剂对于提升异相催化选择性解聚的效率和选择性至关重要。
图文导读
如图1所示，作者设计了通过引入助溶剂的方法来有效解决异相催化体系中的多相界面传质难题，进而克服不同聚酯在溶解和扩散动力学上的限制。此外，通过开发高效异相催化剂进一步提升混合聚酯塑料的回收效率和选择性。图2. GB-rich CeO2纳米颗粒的合成和结构表征。如图2所示，作者首先采用乙二醇（EG）介导的缩合方法，并精确控制合成条件，成功制备出具有丰富Ce3+缺陷和氧空位（Ov）的富含晶界CeO2纳米颗粒（GB-rich CeO2）。利用X射线光电子能谱（XPS）、拉曼光谱（Raman）和电子顺磁共振（EPR）等表征技术，证实了GB-rich CeO2纳米颗粒中Ce3+和Ov的存在。图3. 光热催化选择性回收混合聚酯塑料的性能研究。如图3所示，在光热催化混合聚酯塑料解聚的实验研究中，作者发现GB-rich CeO2催化剂在光热条件下对聚碳酸酯（PC）的解聚表现出显著的催化活性，而对聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）的解聚活性则相对较低。通过对比分析光热催化与热催化的效果、调整助溶剂比例以及改变聚酯混合塑料的比例和反应条件（包括反应温度和时间），作者进一步优化了混合聚酯塑料的选择性解聚性能。研究结果表明，在140 oC的条件下，使用GB-rich CeO2催化剂进行光热催化反应15分钟，双酚A（BPA）的产率达到了97.8%，而双（2-羟乙基）对苯二甲酸酯（BHET）的产率仅为1.7%。当反应温度进一步提高至190 oC时，BHET的产率显著提高至93.4%。这些结果表明，通过调节反应温度，利用GB-rich CeO2催化剂可以实现对混合聚酯塑料的选择性解聚。图4. GB-rich CeO2催化剂选择性解聚PC/PET混合塑料构-效关系研究。如图4所示，作者通过光热催化对PC和PET的解聚动力学进行了深入研究。研究结果表明，在较低温度条件下，GB-rich CeO2催化剂对PC的解聚表现出显著的催化活性，而对PET的解聚活性则相对较低。当温度升高时，GB-rich CeO2催化剂对PET的解聚也表现出优异的催化活性，并且对PC和PET解聚表现出较大的活化能差异。因此，通过精细调控反应温度，可以实现PC和PET混合塑料的选择性解聚。研究人员通过密度泛函理论（DFT）计算深入探究了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异。计算结果表明，GB-rich CeO2催化剂表面的Ov对乙二醇二苯甲酸酯（EGD）和对苯二甲酸二苯酯（DPC）模型分子表现出不同的吸附能，且在解聚反应中，EG和DPC分子解聚的决速步骤存在显著差异，这些差异在反应中起到了关键作用。这些理论计算结果与实验观察结果相吻合，进一步验证了GB-rich CeO2催化剂在选择性解聚混合聚酯塑料中的高效性和选择性。如图5所示，作者还利用GB-rich CeO2催化剂，通过光热催化将真实的PET和PC混合塑料梯次解聚为BPA和BHET。图6. 光热催化选择性回收混合聚酯塑料的技术经济分析。如图6所示，作者通过技术经济分析表明，采用异相光热催化技术进行混合聚酯塑料的选择性回收，在节能减排方面展现出显著的优势，这表明异相光热催化技术在混合塑料废弃物回收领域具有重要的应用潜力。本研究成功开发了一种新型异相光热催化技术，用于选择性回收混合聚酯塑料，为塑料废弃物的高效回收提供了创新解决方案。通过设计并合成GB-rich CeO2催化剂，在光热条件下实现了对PET和PC混合塑料的选择性解聚，成功获得了高纯度的BPA和BHET单体。技术经济分析结果表明，该方法在实际应用中具有巨大潜力。与传统热催化方法相比，光热催化技术在节能减排方面展现出显著优势，为塑料废弃物的高效绿色回收提供了有力支持。
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