中科院理化所陈勇团队丨Ni₂P/ZnIn₂S₄ 光催化重整聚酯塑料转化为高附加值化学品耦合产氢

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研究背景

废弃塑料对生态环境和人类健康构成了严重威胁，并造成了巨大的资源浪费，已成为一个亟待解决的全球性问题。目前，废弃塑料的回收利用和升级处理技术日益受到关注，许多回收策略（如热催化、电催化和光催化等）已被应用于解决废弃塑料污染。其中，光催化重整作为一种绿色环保、可持续发展的策略，可以将废弃塑料转化为高附加值的化学品和H₂，具有广阔的发展前景。然而，开发一种低成本、高活性、高稳定性的光催化剂以实现各类废弃塑料的高选择性转化，依然面临重大挑战。

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研究内容

近日，中国科学院理化技术研究所陈勇研究员团队报道了一种简便的机械研磨方法制备 Ni₂P/ZnIn₂S₄ 催化剂，该催化剂可在温和的条件下高选择性地将聚酯塑料（PLA、PET、PTT、PBT）光催化转化为高附加值的化学品并耦合产氢。TEM 结果显示 Ni₂P 纳米颗粒成功负载于 ZnIn₂S₄ 纳米片的表面，元素分布及 ICP 结果证实了 Ni、P、Zn、In、S 的存在，表明 Ni₂P/ZnIn₂S₄ 的成功合成。

图1  Ni₂P/ZnIn₂S₄ 的合成示意图和 TEM、元素分布、XRD 表征图。

通过X射线光电子能谱（XPS）对 Ni₂P/ZnIn₂S₄ 复合催化剂的表面元素组成和价态进行了分析。结果表明， Ni₂P 与 ZnIn₂S₄ 之间存在强电子相互作用，这对于实现高效的电荷迁移和提高光催化活性至关重要。

图2 Ni₂P/ZnIn₂S₄ 的 XPS 图。

为了进一步验证催化剂的光生电荷载流子的分离和迁移，我们对样品进行了稳态荧光光谱（PL）和光电化学测试（PEC）。结果表明， Ni₂P/ZnIn₂S₄ 表现出高效的光生载流子分离和迁移能力，Ni₂P 纳米颗粒与 ZnIn₂S₄ 复合后加快了对 ZnIn₂S₄ 光生电子的捕获，降低其与光生空穴的复合几率，有利于提高光催化重整聚酯塑料的反应活性。

图3 Ni₂P/ZnIn₂S₄ 的稳态荧光光谱和光电化学测试。

在可见光照射下（λ > 420 nm），我们考察了 Ni₂P/ZnIn₂S₄ 的光催化性能。7.5 wt% Ni₂P/ZnIn₂S₄ 具有最佳光催化重整性能，产氢速率高达 781.3 μmol g^-1 h^-1，与此同时，聚乳酸（PLA）被转化成丙酮酸（PA），表现出高活性（745.9 μmol g^-1 h^-1）和高选择性（> 90 %）。此外，Ni₂P/ZnIn₂S₄ 对其它聚酯塑料（PET、PTT、PBT）也表现出高效的光催化活性。连续四次循环反应后，催化剂仍保持 88% 的初始光催化活性，证明其具有良好的稳定性。

图4 Ni₂P/ZnIn₂S₄ 的光重整聚酯塑料性能。

最后，研究人员提出了一种光催化重整聚酯塑料的反应机理：在可见光照射下，ZnIn₂S₄ 产生光生空穴和电子。Ni₂P 作为助催化剂从 ZnIn₂S₄ 快速转移光生电子，以驱动水还原产氢。与此同时， ZnIn₂S₄ 中的光生空穴被聚酯塑料捕获以产生高附加值化学品。

图5 Ni₂P/ZnIn₂S₄ 的光催化机理。

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总结展望

该工作提出了一种通用的光催化重整策略，用于在温和条件下使用 Ni₂P/ZnIn₂S₄ 催化剂将各种聚酯塑料转化为高附加值化学品耦合产氢。高效的光生电荷载流子分离和迁移是实现高反应活性的关键。这项工作为设计高选择性光催化体系提供了一种绿色环保、具有经济效益的方法，并为发展光重整废弃塑料提供了参考。

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论文信息

Photoreforming of polyester plastics into added-value chemicals coupled with H₂ evolution over a Ni₂P/ZnIn₂S₄ catalyst

Chu-Xuan Liu, Rui Shi, Wangjing Ma, Fulai Liu and Yong Chen

Inorg. Chem. Front., 2023, Advance Article

https://doi.org/10.1039/D3QI00914A

*文中图片皆来源上述文章

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通讯作者简介

陈勇 研究员

中国科学院理化技术研究所

陈勇，中国科学院理化技术研究所研究员，博士生导师，中国科学院“百人计划-引进国外杰出人才”。主要从事金属配合物发光和光/电催化反应研究。在 Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Joule, Energy Environ. Sci. 等期刊发表学术论文 140 余篇。目前论文被国内外同行引用 7300 余次，h指数 48 。

刘福来 特别研究助理

中国科学院理化技术研究所

刘福来，中国科学院理化技术研究所特别研究助理。2021年毕业于理化技术研究所，获得工学博士学位，后加入理化技术研究所光化学转换与功能材料重点实验室陈勇课题组，围绕新型纳米材料设计及其在水分解产氢/醇氧化等光/电催化领域开展系列研究，相关研究成果以第一作者发表论文7篇，包括Angew. Chem. Int. Ed.（2篇）、ACS Catalysis（1篇）、Green Chemistry（1篇）、Chemical Engineering Journal（1篇）等。

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