​ACS Catal.: 泡沫Ni上沉积Cu，促进催化剂重构来增强PET电化学重整

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​ACS Catal.: 泡沫Ni上沉积Cu，促进催化剂重构来增强PET电化学重整
作为最常用的塑料材料之一，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)每年生产近7000万吨，用于包装和纺织。然而，绝大多数废弃的PET都被填埋处理，这不仅对环境有害，而且造成了巨大的经济损失。近年来，电解法作为一种绿色、低能耗的PET塑料升级回收技术而受到广泛关注。在电解重整过程中，PET首先经历一个水解过程，形成对苯二甲酸(TPA)和乙二醇(EG)。由于TPA在电化学条件下相当稳定，只有EG会发生乙二醇氧化反应(EGOR)，升级为高附加值产品。
然而，EGOR通常涉及不可控制和复杂的反应途径，导致产生各种C1和C2产物产生。由于产品分离需要额外的下游能量投入，产品选择性差，效率低，阻碍了PET升级循环的广泛应用。因此，开发选择性强、效率高的PET衍生醇转化电催化剂将有利于降低下游成本。
​ACS Catal.: 泡沫Ni上沉积Cu，促进催化剂重构来增强PET电化学重整
​ACS Catal.: 泡沫Ni上沉积Cu，促进催化剂重构来增强PET电化学重整
近日，圣地亚哥州立大学顾竞课题组将Cu电化学沉积在泡沫Ni上(NiCu/NF)用于的EG和PET塑料的增值化。原位和异位表征结果显示，Cu0/CuO核壳沉积在NF上，在重构过程中，Cu和Ni物种被重构为Cu(OH)2/CuOOH和NiOOH活性物种。同时，沉积的Cu物种有利于催化剂动态演化形成Ni3+活性物种，促进更快的界面电子转移，增加电化学活性面积，这些都协同提高了NiCu/NF的EGOR性能。
此外，密度泛函理论(DFT)计算表明，NiCu/NF (0.51 eV)上EGOR速率控制步骤(RDS)的能垒相对于泡沫Ni(1.41 eV)显著降低，并且Cu的存在使*COOHCH2OH到*CH2OH+HCOOH步骤的能垒降低，从而促进了C-C键的断裂。
​ACS Catal.: 泡沫Ni上沉积Cu，促进催化剂重构来增强PET电化学重整
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电化学性能测试结果显示，最优的NiCu60s/NF催化剂的甲酸盐法拉第效率和产率分别为95.8 %和0.70 mmol cm−2 h−1。研究人员还验证了该电催化体系的实际应用：采用商用PET粉末作为原料，PET粉末水解产物主要为甲酸盐(FE> 80%)；另外，市售PET水瓶水解液经过简单的酸化和分离过程，仅需1小时即可再生出纯TPA，展示了电重整方法在实际生活中的潜在实际应用价值。
总的来说，该项工作通过对催化剂的动态演变、真实活性中心和反应机理的探索，为理解和设计高性能电催化剂以实现更高效、更有选择性的塑料升级提供了理论依据。
Cu promoted the dynamic evolution of Ni-based catalysts for polyethylene terephthalate plastic upcycling. ACS Catalysis, 2024. DOI: 10.1021/acscatal.3c05509

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