北京纳米能源所王中林院士、陈翔宇研究员/上海师大卞振锋教授AM：实现高效、环保方式回收黄金

电子垃圾的急剧增加使贵金属的选择性回收成为一项紧迫的可持续性挑战。传统的湿法冶金方法（如王水浸出）虽然具有较高的产量，但伴随有氮氧化物排放和严重的腐蚀性风险，因此催生了对更环保化学方法的需求。TiO2光催化碘化法浸出有效减轻了这些危害，但其量子效率受到快速电子-空穴复合的限制。接触电催化（CEC）通过无电压驱动的界面电场，可以延长载流子的寿命，但到目前为止，还没有一种材料平台将CEC和光催化结合在一个单一的、稳定的界面内。

为解决这些问题，北京纳米能源与系统研究所陈翔宇研究员和其团队，提出了一种通过使用低温共烧技术合成的有机-无机复合微球催化剂，其表面同时暴露了TiO2和PTFE活性位点，从而实现了接触-电催化与光催化的双重协同反应。与具有类似重量的原始TiO2催化剂相比，这种复合微球催化剂从电子废弃物中提取金的效率提高了十倍。这种混合界面改变了能带结构，延长了载流子寿命，并提高了界面反应活性。密度泛函理论（DFT）计算进一步表明，水中的电荷从PTFE转移到TiO2，随后转移到TiO2中，PTFE和TiO2之间的有利能量带对齐确保了高效的载流子跳跃和增强的光催化活性。这种基于有机-无机微球催化剂的复合催化策略可以拓展到诸如废水处理、有机合成以及工业废弃物再利用等领域。相关工作以“Largely Enhanced Photocatalysis by Contact-Electro-Catalysis for Efficient and Eco-Friendly Recovery of Gold”为题，发表于国际知名期刊《Advanced Materials》。中科院北京纳米能源与系统研究所博士生李晓亮和余泽阳为论文的共同一作，中科院北京纳米能源与系统研究所王中林院士、上海师范大学卞振锋教授、中科院北京纳米能源与系统研究所陈翔宇研究员是该论文的通讯作者。

具体而言，这种有机-无机复合的CE-PhC微球催化剂具有以下优点：

1.成功合成了尺寸在5至30 μm之间的 CEC-PhC 复合微球，其有机-无机复合界面能够调节能带结构并提高催化效率。

2.开发了一种高效、环保的贵金属回收技术，该技术通过碘化物浸出途径溶解黄金，避免了使用传统的强氧化系统。定量比较表明，TiO2/PTFE系统的溶解速率比单独的TiO2高一个数量级。通过控制合成过程，可以使催化剂浮在溶液表面，从而提高反应效率，并简化回收流程。

3.通过密度泛函理论模拟，构建了一个详细的微观物理模型，并定量计算了水（H2O）、聚四氟乙烯（PTFE）和二氧化钛（110）之间的能带结构及其相互关系。结果表明，在固-液界面产生的摩擦电电子由于强吸电子的氟基团的作用，被吸引到聚四氟乙烯内的局域态势阱中。此外，在有机-无机复合界面处，外部超声波驱动这些电子从聚四氟乙烯内的局部势阱转移到二氧化钛的导带中，阐明了相应的能量转移机制。

图1. 从电子废弃物中综合提取黄金的流程及反应速率图。

通过结合光催化和接触电催化（CEC）技术，这种新方法能显著提高从电子废料中提取金的效率。首先，催化材料通过与水接触，利用超声激发生成电荷，这些电荷在材料表面相互作用，增强了金的溶解过程。随着紫外线照射，金属与溶液中的碘化物反应，形成金碘化物，从而加速金的回收。这一过程不仅比传统方法更高效，而且在相同质量催化剂下，金的溶解速度比使用TiO2催化剂时提高了约十倍。这种复合材料的独特优势在于它能够结合两种不同催化机制，从而提高了金的回收效率，展示了其在绿色冶金和资源回收中的巨大潜力。

图2. 电子转移方向的密度泛函理论计算及原理演示图。

通过理论计算，我们揭示了水分子与PTFE和TiO2表面之间的电子转移过程。当水分子接触到PTFE时，电子被PTFE表面捕获，并沿着界面传递到TiO2，这一过程显著提高了TiO2的光催化性能。这种电子流动确保了更高效的电子迁移，优化了催化反应的效率，为设计更高效的光催化材料提供了理论依据。

图3. 亲疏水性界面下AIMD模拟结果及材料性质表征图。

通过进一步的分子动力学模拟，我们对比了亲水性和疏水性界面上的氧气演化反应，结果显示，PTFE的疏水性表面能有效优化水分子在界面上的分布。这种结构变化减少了水分子对反应的干扰，促进了自由基的生成，从而显著提升了催化反应的速率。模拟结果表明，PTFE材料在调节水界面的微环境方面起到了关键作用，进一步提高了金的溶解和回收效率。

图4. TiO2/PTFE的电子显微镜图像及相关的表征图。

通过扫描电镜和能谱分析，我们观察到TiO2纳米颗粒均匀分布在PTFE表面，形成了稳定的复合材料。这种结构不仅保证了TiO2和PTFE的紧密结合，还优化了材料的电子传输性能。进一步的X射线衍射和光电子能谱分析表明，复合材料具有较好的稳定性和高效催化活性，特别是在金回收反应中，表现出显著的提升效果。

图5. 复合微球催化剂的材料特性及合成示意图。

在合成过程中，通过低温共烧工艺将TiO2和PTFE等接触电催化材料结合，成功制备了具有异质结构的复合微球。这一过程不仅确保了TiO2与PTFE的紧密结合，还通过优化表面结构，增强了电子的传输效率。通过这种方法，我们获得了更高催化效率和稳定性的复合微球催化剂，为金属回收和绿色冶金提供了新的技术路径。

结论：

在这项研究中，该催化剂能够将光催化与机械能转换（CEC）相结合，从而显著提高光催化过程的效率，能够实现各种高效的光催化反应，包括从电子废弃物中回收颗粒物。这些复合微球的表面同时暴露了来自二氧化钛和聚四氟乙烯的活性位点，从而形成一种将接触起电与光催化相结合的双重协同机制。使用Au/SiO2进行的对比催化实验表明，在等量催化剂质量的情况下，TiO2/PTFE复合微球催化剂的碘介导金浸出效率大约是原始TiO2的十倍。此外，该催化剂在十次金浸出循环中表现出优异的稳定性和可重复使用性，证实了其实际可行性。这项研究将光催化与CEC结合，提出了一种高效且可持续的贵金属回收及绿色冶金策略，为大规模资源回收与清洁制造提供了新动力。

https://doi.org/10.1002/adma.202514244