近年來，利用電催化技術(shù)將廢棄物轉(zhuǎn)化為高附加值的燃料為減少化石能源的消耗和緩解環(huán)境污染問題提供了可持續(xù)的策略。例如，先前的文獻(xiàn)報道了聚對苯二甲酸乙二酯(PET)水解產(chǎn)物衍生的乙二醇(EG)可以通過電化學(xué)氧化選擇性地升級為增值的甲酸(HCOOH)。同時，電催化CO2還原反應(yīng)(CO2RR)也能夠?qū)O2轉(zhuǎn)化為有價值的化學(xué)品。特別是一些主族金屬(Bi、Sn等)及其衍生物氧化物能夠電催化CO2轉(zhuǎn)化為HCOOH。

因此，將陽極PET氧化反應(yīng)(POR)與陰極CO2RR結(jié)合起來，在兩個電極上同時生成有價值的HCOOH是可行的。一方面，PET水解產(chǎn)物與CO2同時電解重整為HCOOH，可避免不同產(chǎn)品之間繁瑣的分離過程；另一方面，與傳統(tǒng)的CO2電還原體系(CO2RR耦合OER)相比，熱力學(xué)氧化電位較低的PET陽極氧化可以顯著降低總能耗。因此，基于雙重廢棄物(PET和CO2)電重整共同生產(chǎn)HCOOH的概念，開發(fā)先進(jìn)的催化劑來驅(qū)動相關(guān)反應(yīng)，并在原子水平上深入研究其構(gòu)效關(guān)系勢在必行。

近日，濟(jì)南大學(xué)蔣緒川、胡日茗和山東大學(xué)鄭昭科等報道了一種集PET氧化和CO2還原為一體的電催化廢棄物處理策略，即以富氧空位Ni(OH)2-VO和Bi/Bi2O3異質(zhì)結(jié)構(gòu)分別作為高效的陽極和陰極電催化劑，共同生產(chǎn)高附加值的HCOOH。

實驗結(jié)果表明，所制備的Ni(OH)2-VO納米片和Bi/Bi2O3納米顆粒在超低電位下(在1.6 V和?1.4 V下電流密度分別達(dá)到300 mA cm?2和?272 mA cm?2)具有工業(yè)級電流密度和高HCOOH選擇性(分別為86%和91%)，并且這兩種催化劑都表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。

一系列原位光譜研究和理論結(jié)果表明，在PET上循環(huán)過程中，大量的氧空位將促進(jìn)Ni3+物種的形成，加速后續(xù)的脫氫和C-C鍵斷裂過程；同時，Bi和Bi2O3之間的界面電子轉(zhuǎn)移有利于保持Bi的高價態(tài)，優(yōu)化了對OCHO*中間體的吸附，從而使Bi/Bi2O3在大電流密度下仍具有高效的CO2RR轉(zhuǎn)化為HCOOH的性能。

作為概念驗證，研究人員設(shè)計了具有實時監(jiān)測和控制功能的太陽能流動反應(yīng)器，在2.7 V、100 mA cm?2的電流密度下，實現(xiàn)了181%的HCOOH法拉第反應(yīng)效率。總的來說，這項工作為廢棄物的資源化利用開辟了新的途徑，并為設(shè)計將廢物轉(zhuǎn)化為有價值化學(xué)品的先進(jìn)電催化劑提供了指導(dǎo)。

Electrocatalytic waste-treating-waste strategy for concurrently upgrading of polyethylene terephthalate plastic and CO2 into value-added formic acid. ACS Catalysis, 2023. DOI: 10.1021/acscatal.3c03428

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