北大郭少军/长春应化所李敬AM：工业级塑料高效升级回收技术

随着全球塑料污染问题日益严峻，聚乙烯 terephthalate（PET）塑料的回收与高值化利用成为可持续发展的重要课题。目前，PET主要通过机械回收降级利用，化学回收尤其是电催化升级回收仍面临效率低、稳定性差、选择性不高等挑战。如何实现高效、稳定、选择性地将PET衍生的乙二醇（EG）转化为高附加值化学品（如乙醇酸，GA），并同步生产绿氢，是当前该领域的研究难点与工业应用瓶颈。

近日，北京大学郭少军教授、中国科学院长春应用化学研究所李敬研究员报道了一种新型高度扭曲的PtPdTe纳米片催化剂（PtPdTe-a），在工业级电流密度下实现了对乙二醇氧化反应（EGOR）的高选择性（乙醇酸法拉第效率达96.7%）与超过1000小时的超长稳定性。该催化剂不仅质量活性高达11.78 A mgPt+Pd⁻¹，还成功应用于真实PET废弃物的升级回收，每吨PET废弃物处理可产生约880.23美元的收益，展现出巨大的工业化应用潜力。相关论文以“Industrial-Scale High-Selectivity Plastic Upgrading with Stability Exceeding 1000 h over Distorted PtPdTe Nanosheets”为题，发表在

Advanced Materials

研究首先通过合成层状PtPdTe二硫属化物，并经过退火、碱刻蚀和酸刻蚀等步骤，成功制备出具有丰富高指数晶面、晶界、非晶区域和孪晶结构的高度扭曲PtPdTe-a纳米片（图1）。结构表征显示，该催化剂具有面心立方相，且Pt、Pd、Te元素均匀分布。相较于几乎不含Te的对比样品（PtPdTe-n），PtPdTe-a中保留约12.8%的Te原子，这一结构特征为其卓越的催化性能奠定了基础。

图1 | （a, b）PtPdTe-p（前驱体）的HAADF-STEM图像。（c）PtPdTe-p的相应元素分布图。（d）PtPdTe-p和PtPdTe-a的XRD图谱。（e, f, h）PtPdTe-a的HAADF-STEM图像。（g）PtPdTe-a的HRTEM图像。（i）PtPdTe-a的元素分布图。图（g）中的橙色和黄色虚线分别标记了非晶区域和晶界。

在电化学性能测试中（图2），PtPdTe-a在碱性条件下对EGOR表现出极高的质量活性和比活性，分别达到商用Pt/C的7.4倍和10.1倍。同时，在0.8 V电压下，其对目标产物乙醇酸的选择性高达96.7%，且在较宽电位范围内保持90%以上的法拉第效率。稳定性测试表明，经过2000次循环后仍能保持71.3%的初始质量活性，远超对比催化剂。

图2 | （a）不同催化剂在1 M KOH + 1 M EG中的比活性。（b）无iR补偿的LSV曲线及（c）PtPdTe-a在含与不含1 M EG的1 M KOH中的相应电位对比。（d）PtPdTe-a在不同电位下生成乙醇酸（GA）的法拉第效率（FE）。（e）不同催化剂在0.8 V下对EGOR的FE。（f）使用PtPdTe-a催化剂在0.8 V下电解过程中获得的GA产率和FE。

通过X射线光电子能谱（XPS）和X射线吸收精细结构（XAFS）等机理研究（图3），团队发现Te的引入通过强p-d轨道耦合效应，调节了Pt的电子结构，使d带中心下移，并显著增强了催化剂对关键中间体OH的吸附能力。CO剥离实验进一步证实，PtPdTe-a表面更易于形成OH，从而促进中间体的脱氢与氧化去除，引导反应朝向理想的C2路径（生成乙醇酸）进行，避免过度氧化生成C1副产物。

图3 | （a）Pt 4f XPS光谱。（b）Te 3d XPS光谱。（c）基于XPS价带光谱计算的各纳米材料d带中心位置。（d）Pt L3边XANES光谱。（e）傅里叶变换EXAFS光谱。（f）在1 M KOH中的CO剥离曲线。

密度泛函理论（DFT）计算（图4）进一步从电子层面揭示了Te的调控机制：Te的5p轨道与Pt的4d轨道发生杂化，引起电荷从Te向Pt转移，优化了反应中间体在催化剂表面的吸附强度，从而在原子尺度上解释了其高活性与高选择性的起源。

图4 | PtPd（上）和PtPdTe-a（下）模型（111）面的电荷密度差分图（侧视与俯视）。

在实际应用层面，研究团队构建了膜电极组装（MEA）电解槽（图5），将EGOR与氢析出反应（HER）耦合。在1.1 V电压下，系统可实现高达346.9 mA cm⁻²的工业级电流密度，并稳定运行超过1000小时，这是目前报道的同类系统中最长的稳定运行时间。该集成系统大幅降低了制氢能耗。

图5 | （a）EGOR耦合HER与水电解的LSV曲线。（b）超过1000小时的长时期i-t曲线（氧化与还原区域分开绘制）。（c）相应的GA产率和FE。（d）与近期发表成果的性能指标对比。

最终，研究进行了放大实验（图6），使用25 cm²的MEA对500克真实PET废弃物进行电催化升级回收。在1.1 V、50°C的条件下，初始电流密度超过800 mA cm⁻²，乙醇酸产率高达5.04 mmol cm⁻² h⁻¹，并同步产出高纯度的对苯二甲酸、硫酸钠和绿氢。技术经济分析表明，该过程具备显著的经济效益。

图6 | （a）放大MEA（25 cm²）中EGOR耦合HER与水电解的LSV曲线。（b）GA的产率和FE。（c）通过电氧化策略实现PET废弃物增值过程的示意图。（d）PET废弃物电氧化增值的技术经济分析（TEA）。

这项研究成功开发出一种具有高度扭曲结构的新型PtPdTe纳米片催化剂，通过精准的电子结构与亲氧性调控，实现了对PET衍生乙二醇的高效、高选择性、超稳定电催化升级转化，并耦合绿氢生产。该工作不仅为塑料废弃物的资源化利用提供了创新性解决方案，也为设计高性能、长寿命的工业电催化剂提供了新的思路，有望推动电催化塑料回收技术向大规模工业化应用迈进。