自聚合物塑料首次使用以來的70年來，已有63億噸塑料在使用后被丟棄。塑料的大量使用造成了嚴重的環(huán)境污染。傳統(tǒng)的塑料處理方法如熱解、填埋、加氫、生物質(zhì)轉(zhuǎn)化等，可以有效地將不能被環(huán)境分解的大分子廢塑料轉(zhuǎn)化為對人體危害較小的小分子，但這些研究通常僅限于單一塑料。混合塑料的成分復雜，這使得傳統(tǒng)方法難以有效地將它們轉(zhuǎn)化為有用的產(chǎn)品。此外，上述傳統(tǒng)方法通常會產(chǎn)生含有混合氣體和液體焦油的分解中間體的復雜混合物。這些副產(chǎn)品容易導致環(huán)境污染。化學催化通過使混合塑料快速轉(zhuǎn)化為化學原料，為這些挑戰(zhàn)提供了解決方案。下載化學加APP到你手機，更加方便，更多收獲。在這里，作者使用超分子組裝方法在CoAl氫氧化物層之間嵌入RuCl4-離子，并通過進一步氫熱還原合成了均勻分散的Ru活性位點催化劑（RuSA-CoAlO和RuNP-CoAlO）。作者研究了RuSA-CoAlO催化劑在降解各種塑料中的催化性能。單一PET塑料的轉(zhuǎn)化效率為87.5%，而PP和PE塑料均達到了99%的轉(zhuǎn)化率。包括PET、PP和PE在內(nèi)的混合塑料也顯示出高轉(zhuǎn)化效率（>90%）和甲烷選擇性（>99%）。其他塑料如PS、HIPS和POM的轉(zhuǎn)化率均在90%以上。RuSA-CoAlO催化劑在150次連續(xù)進料中保持了約90%的CH4產(chǎn)率，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，催化劑表面的碳積聚很少。理論計算進一步支持了Ru單原子表面上增強的吸附和降解行為，證明了Ru單原子催化劑在混合塑料降解中的優(yōu)勢。該研究為混合塑料廢物的再利用開啟了新的時代。與傳統(tǒng)的納米顆粒催化劑相比，使用單原子催化劑（如Ru單原子催化劑）在將混合塑料轉(zhuǎn)化為甲烷產(chǎn)品方面的優(yōu)勢如下：1.更高的活性：Ru單原子催化劑的甲烷產(chǎn)物收率超過91%，而傳統(tǒng)的Ru納米顆粒催化劑的產(chǎn)率僅為70%。2.增強穩(wěn)定性：Ru單原子催化劑即使在連續(xù)90次催化循環(huán)后仍保持較高的轉(zhuǎn)化率（>150%），而納米顆粒催化劑在20次催化循環(huán)后迅速失活。3.減少碳積累：經(jīng)過150次循環(huán)后，Ru單原子催化劑表面的碳納米粒子較少，而納米粒子催化劑幾乎被碳材料覆蓋。4.一致的催化選擇性：納米顆粒催化劑的不同晶體平面會表現(xiàn)出不一致的催化選擇性。單原子催化劑提供相對均勻的催化活性位點，確保一致的催化選擇性。用于制備RuSA-CoAlO催化劑的合成方法需要使用超分子組裝方法在CoAl氫氧化層之間插入RuCl4-離子（如圖2所示）。這導致形成均勻分散的Ru活性位點，然后通過氫熱還原進一步還原催化劑。RuSA-CoAlO和RuNP-CoAlO的主要區(qū)別在于釕的分散性。此外，XRD圖譜顯示，與標準CoO相比，兩種催化劑都具有偏移峰，表明存在Al原子取代CoO中的Co位點。RuSA-CoAlO中沒有明顯的Ru顆粒特征峰表明Ru納米顆粒結(jié)晶程度較低。總體而言，釕原子的合成方法和分散性將RuSA-CoAlO與RuNP-CoAlO區(qū)分開來，RuSA-CoAlO表現(xiàn)出單線態(tài)分散的Ru原子和最小的納米顆粒形成。作者使用插層化學的方法合成Ru單原子催化劑，并且提出貴金屬鹽中的結(jié)晶水是制備單原子催化劑的關(guān)鍵。利用酸化的無水RuCl3金屬鹽制備的材料是與載體有相互作用的Ru納米顆粒，利用三水合氯化釕金屬鹽制備的材料是Ru單原子催化劑。通過XAFS，XPS以及電鏡的相關(guān)表征驗證了這一觀點。并且通過近邊和擴展邊擬合提出了Ru單原子分布在Co原子缺陷的位置。（如圖3所示）RuSA-CoAlO催化劑在各種塑料降解中的選擇性接近99%。這種高選擇性確保了催化產(chǎn)物主要由甲烷組成，副產(chǎn)物（如COx）的形成最少（如圖4所示）。這是有利的，因為它降低了后續(xù)工藝中腐蝕損壞的風險。在不同類型的塑料中，選擇性保持一致，包括PET、PP、PE、PS、HIPS和POM，大多數(shù)塑料的轉(zhuǎn)化效率超過90%。然而，聚碳酸酯（PC）和聚苯醚（PPO）的轉(zhuǎn)化率較低，因為它們中存在O或醚鍵。RuSA-CoAlO催化劑在實際混合塑料進料降解中的穩(wěn)定性明顯優(yōu)于Ru納米顆粒。RuSA-CoAlO催化劑的性能幾乎沒有下降，并且在90次連續(xù)進料中保持了約150%的甲烷產(chǎn)率的連續(xù)生產(chǎn)。另一方面，Ru納米顆粒催化劑僅連續(xù)進料20次保持穩(wěn)定性，甲烷收率低于70%，在20次進料后在后續(xù)進料中迅速失活。這表明RuSA-CoAlO催化劑在實際混合塑料進料的降解中具有優(yōu)于Ru納米顆粒的穩(wěn)定性。Ru單原子催化劑的吸附能增強，通過調(diào)節(jié)塑料降解中間體的吸附能，優(yōu)化了多種塑料分解的催化過程。催化劑中Ru位點的獨特電子結(jié)構(gòu)允許更有效，更快速地分解混合塑料。這種優(yōu)化的吸附能有助于塑料分子中化學鍵的斷裂，從而產(chǎn)生甲烷作為主要產(chǎn)品。此外，與傳統(tǒng)納米催化劑相比，Ru單原子催化劑表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，確保了催化過程的壽命和有效性。該研究評估了用于實際混合塑料降解產(chǎn)生甲烷的單原子催化劑的全球變暖潛能值（GWP）?？紤]了兩種情況：自加熱過程和電加熱過程。自加熱箱的GWP值為0.26千克二氧化碳當量/千克CH2產(chǎn)量，而電加熱箱的GWP值為4.0千克二氧化碳當量/千克。這兩個數(shù)字都低于傳統(tǒng)的天然氣生產(chǎn)GWP值（40.2）。這表明，擬議的利用單原子催化劑的過程有可能有助于實現(xiàn)碳中和目標并解決氣候變化問題。（如圖5所示）清華大學李亞棟院士、王定勝教授、南京林業(yè)大學蔣劍春院士和華東理工大學段學志教授等人等人在塑料廢物轉(zhuǎn)化方面取得了重大突破，首次使用單原子Ru催化劑將混合塑料廢物轉(zhuǎn)化為單一化學產(chǎn)品甲烷。單原子Ru催化劑能夠?qū)⒋蠹s90%的真實混合塑料廢物轉(zhuǎn)化為甲烷產(chǎn)品，選擇性超過99%。單原子Ru催化劑在將混合塑料轉(zhuǎn)化為甲烷產(chǎn)品方面的高效率和選擇性證明了快速有效的塑料廢物增值潛力。該研究強調(diào)了催化劑設(shè)計的重要性以及電子結(jié)構(gòu)在優(yōu)化混合塑料降解過程中的作用。總體而言，這項研究為混合塑料廢物的增值開辟了新的可能性，并為開發(fā)可持續(xù)和有效的塑料廢物處理方法提供了見解。文獻詳情：
Zedong Zhang, Jia Wang, Xiaohu Ge, Shule Wang, Ang Li, Runze Li, Ji Shen, Xiao Liang, Tao Gan, Xiaodong Han, Xusheng Zheng, Xuezhi Duan,* Dingsheng Wang,* Jianchun Jiang,* and Yadong Li* Mixed Plastics Wastes Upcycling with High-Stability Single-Atom Ru Catalyst. J. Am. Chem. Soc. 2023, https://doi.org/10.1021/jacs.3c09338
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