近日，化學(xué)學(xué)院綠色催化與傳感團(tuán)隊(duì)劉利教授在PET（聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯）塑料升級(jí)回收與綠色協(xié)同制氫領(lǐng)域取得突破性研究成果。相關(guān)研究以“Upcycling PET Coupled with Energy-Saving H2Production from Seawater at Asymmetric Active Center”為題發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊《Advanced Materials》(中國(guó)科學(xué)院1區(qū)，top期刊，影響因子26.8)。重慶師范大學(xué)為第一署名單位，劉利教授指導(dǎo)下的本科生葉愷、許燦為論文共同第一作者。
全球每年7000萬(wàn)噸PET因焚燒、填埋受阻已成環(huán)境重負(fù)。堿性水解可把廢PET轉(zhuǎn)化為T(mén)PA-K和EG，但EG高沸點(diǎn)、高粘度、高水溶性導(dǎo)致分離能耗居高不下；海水電解制氫又受OER高耗能、低值副產(chǎn)品及析氯干擾。本研究首創(chuàng)“EG氧化-海水析氫”耦合路線(xiàn)，一舉解決兩大難題：以EG替代OER，同步產(chǎn)氫并升級(jí)EG為高值化學(xué)品。難點(diǎn)在于EG兩羥甲基對(duì)稱(chēng)，需精準(zhǔn)單氧化而不斷裂C–C鍵；且競(jìng)爭(zhēng)路徑使C2產(chǎn)物（GA）選擇性低。
基于此，研究團(tuán)隊(duì)將親氧過(guò)渡金屬與貴金屬結(jié)合，設(shè)計(jì)了一種富含Co–O–Ru不對(duì)稱(chēng)活性中心的Ru-(CoCu)2V2O7@Cu2O電催化劑，從而觸發(fā)動(dòng)態(tài)電子離域。這打破了EG分子的對(duì)稱(chēng)性，使得關(guān)鍵中間體（*OCCH2OH和*OH）被靶向吸附，實(shí)現(xiàn)了單一羥甲基的定向去質(zhì)子化。同時(shí)，利用電子離域特性調(diào)控反應(yīng)路徑，突破單一羥甲基的選擇性氧化，并及時(shí)解吸C2產(chǎn)物使貴金屬活性位周期性恢復(fù)，避免深度氧化，提高GA選擇性。
結(jié)果顯示，該催化劑在EGOR中表現(xiàn)出卓越性能：僅需0.68V（vsRHE）即可達(dá)到100 mA cm?2的電流密度，相較傳統(tǒng)OER反應(yīng)能耗降低60.1%。更值得關(guān)注的是，在1.0V（vs RHE）、600mA cm?2的工業(yè)級(jí)條件下，其生成高附加值GA的法拉第效率仍保持96.6%，選擇性達(dá)93.5%，突破了現(xiàn)有催化體系的性能瓶頸。在流動(dòng)池中展現(xiàn)出優(yōu)異的雙功能產(chǎn)出能力：在200 mA cm?2電流密度下，可同時(shí)將PET水解液轉(zhuǎn)化為GA（產(chǎn)率0.0299 mmol min?1），并從天然海水中制備氫氣（產(chǎn)率1.531 mL min?1）。長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)試表明，該系統(tǒng)在100 mA cm?2下連續(xù)運(yùn)行120小時(shí)，性能衰減不足12%，且整體能耗較傳統(tǒng)海水電解制氫降低51.3%。
據(jù)悉，劉利教授在此研究中從方向凝練、方案設(shè)計(jì)，到數(shù)據(jù)解析、論文撰寫(xiě)，步步浸潤(rùn)，全程引導(dǎo)葉愷和許燦深度參與課題的各個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。此外，在劉利教授的指導(dǎo)下，兩位同學(xué)獲2024年大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃（省級(jí)）立項(xiàng)，2024年第三屆四川省大學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽一等獎(jiǎng)，第十三屆全國(guó)大學(xué)生化學(xué)實(shí)驗(yàn)競(jìng)賽重慶賽區(qū)二等獎(jiǎng)。他們參與多項(xiàng)課題，作為合作作者在國(guó)際權(quán)威期刊《Nano Letters》、《Journal of Energy Chemistry》、《Journal of Colloid and Interface Science》上發(fā)表研究成果，并授權(quán)發(fā)明專(zhuān)利1件，受理發(fā)明專(zhuān)利1件。
