江南大学焦星辰教授/中科大谢毅院士《AFM》：光热转化塑料，如何选择催化剂

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2024-12-17 07:50

正文

在全球的塑料斗争中，塑料的催化升级和回收利用作为实现环境修复和高附加值化学品生产的有力策略，一直备受关注。与传统回收方法相比，新兴的光热催化方法集光化学和热催化过程于一体，具有转化效率高、反应条件温和等特点。鉴于此，江南大学焦星辰教授与中国科学技术大学谢毅教授合作在《Adv. Funct. Mater.》上发表重要综述，对近年来塑料废弃物光热转化的研究进展进行了全面综述。首先，根据光热转化机理，将塑料升级再利用的光热催化剂分为金属材料、半导体材料和碳材料三大类。重点介绍了它们作为强大光热转换器的潜在机制以及塑料光热转换的未来方向。此外，总结了光热催化材料在塑料转化过程中的合理结构设计，以提高塑料转化中的光热性能。最后讨论了这一前景广阔但刚刚起步的领域未来的机遇和挑战，并提出了塑料光热转化的未来研究方向。

图1 塑料光热催化材料的设计。

1.光热催化剂的材料类型

光热效应是指光热转换材料在光照条件下通过其自身的光热转换机制将光能转化为热能的现象。然而，各种材料具有不同的光热转换能力，这在很大程度上取决于它们对不同波长的有效光吸收以及光热转换所涉及的不同机制。此外，光热催化剂的光化学效应在光热催化中起着不可磨灭的作用。在此背景下，作者首先总结了近年来用于塑料废物光热转化的光热催化剂材料的一些代表性研究。

图2 塑料垃圾光热转化中光热催化剂材料的发展时间表。

1.1 金属材料

由局域表面等离子体共振效应（LSPR）激发的贵金属纳米结构因其优异的光热转换性能而受到广泛关注。当光照射到贵金属如金、银、铂的纳米颗粒时，它们能够吸收光能并迅速转化为热能，显著提升周围的温度。这种效应基于纳米粒子与激光电场的相互作用，促使电荷载流子动态转换能量。

图3 金属材料光热转化塑料。

1.2 半导体材料

半导体材料可以通过非辐射弛豫成为光热效应的另一个非凡候选者。吸收大于其带隙能量的入射光子的半导体材料可以刺激价带（VB）电子转移到导带（CB），并在VB中产生空穴。激发的电子可以通过发射光子（辐射模式）将能量释放回VB，也可以通过释放声子（非辐射弛豫）将能量转移到材料晶格。在非辐射弛豫过程中，电子以声子的形式发射能量，声子迅速转变为低能态，导致半导体材料的局部温度升高。

图4半导体材料光热转化塑料。

1.3 碳基材料

碳是人类在宇宙中存在的最密切相关的元素之一，它具有sp、sp2和sp3杂化的多种电子轨道特性，因此以碳为唯一组成元素的碳基材料具有优异的光吸收特性。碳基材料在接收光照射后，其内部结构促使电子从低能态跃迁至高能态。激发的电子通过电子-声子耦合而松弛，因此吸收的光能从激发的电子转移到整个晶格的振动，导致材料温度的上升。

图5碳基材料光热转化塑料。

2.光热催化剂的结构工程

对于塑料的光热催化，设计具有高活性、稳定性和选择性的光热催化剂至关重要。然而，原子活性位点的催化性能也可能受到其几何环境的显著影响，因为反应物种的迁移、吸附和反应行为可能受到介导。之前的研究主要集中在设计催化活性位点上，很少关注催化形态和结构等因素，这些因素在塑料的光热催化性能中也起着不可忽视的作用。

2.1 界面工程

塑料的光热降解反应是一个多步骤的过程，不仅需要热量，通常还需要氧气的存在。活性氧（ROS）是深度氧化反应中的关键活性物种，主要由光激发电子激活氧分子产生。然而，氧在水相中的低溶解度和在塑料中的低扩散率限制了系统中的界面传质，严重限制了光热塑料转化的效率。三相界面能有效地解决了氧气、水不溶性微塑料和光催化剂之间接触不足的问题。

示意图6界面工程助力光热转化塑料。

2.2 纳米流体工程

光热共催化中光催化和光热效应的相互作用可能受到塑料光热上循环过程中温度的显著影响。光子转化为声子所提供的热量有助于化学键的活化，并加速反应物/产物的传质。然而，由于电荷络合的促进，光催化反应催化位点的过热积聚通常被认为是影响反应速率的不利因素。此外，不受控制的温度升高可能会对催化剂表面位点产生潜在的烧结效应，对稳定性提出了很高的要求。因此，在针对光热和光催化的协同效应时，纳米流体策略成为维持最佳催化功能所需的微妙平衡的关键因素。

示意图7纳米流体工程助力光热转化塑料。

总结与展望

本文总结了塑料废物光热催化转化为高价值化学品的最新进展。详细地说，重点概述了在塑料光热催化中起着不可磨灭作用的光热材料的选择。对于催化剂材料类型的选择，根据不同的光热转换机制将其简要分为金属、半导体和碳材料，讨论了它们在塑料光热转换方面的优势以及未来的发展方向。此外，在催化剂结构设计方面，考虑到光热催化作为光效应和热效应的耦合反应可以通过提高光子利用效率和提高催化剂的表面温度来改善，作者还总结了在解决光热系统中热管理挑战和几何环境影响方面的一些进展。通过持续的努力，将大量塑料废物转化为有价值的化学品的前景广阔，期待未来几年将取得更大的进展。

通讯作者介绍

焦星辰，江南大学教授。长期从事低维高效催化剂的设计、制备和表征以及光/电催化二氧化碳和废弃塑料转化等研究工作，致力于探讨揭示宏观催化性能与微观结构之间的构效关系。目前共发表学术论文40余篇，总被引4000余次，包括Chem. Soc. Rev.、Acc. Chem. Res.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Natl. Sci. Rev.等国内外高水平期刊，独立编写英文专著1部。主持科技部国家重点研发计划子课题、国家自然科学基金面上项目、中国博士后科学基金特别资助（站前）、中国博士后基金面上项目、中国科学院特别研究助理资助项目和安徽省自然科学基金等多种省部级基金。获得中国科学院优秀博士学位论文、中国科学院院长优秀奖、博士研究生国家奖学金、硕士研究生国家奖学金、安徽省优秀毕业生等重要奖项。

谢毅，中国科学院院士，发展中国家科学院院士，中国科学技术大学教授。近年来聚焦低维固体中的电子结构、声子结构的调控，实现包括光电催化二氧化碳还原和热电转换在内的高效能量转换。两次获国家自然科学二等奖，获 IUPAC 化学化工杰出女性奖、TWAS 化学奖、欧莱雅-联合国教科文组织世界杰出女科学家成就奖、Nano Research Award 等重要国际奖。

课题组主页：
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来源：高分子科学前沿

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