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邱博诚教授课题组利用改性CuIn₅S₈光催化材料实现废弃PET塑料的高附加值转化

本文亮点

本文在硫化物催化剂CuIn₅S₈纳米片上进行氧掺杂改性，掺杂后的催化剂具有明显提升的吸光性能，并且氧掺杂导致了其带隙的移动。其中，其导带位置的负移使其在光还原产氢方面更具优势，析氢速率是原始CuIn₅S₈催化剂的7倍；同时，价带位置负移降低了其氧化电势，即氧化能力减弱则避免了底物的过度氧化，因此具有更佳的选择性氧化性能。对氧化产物进行鉴定，发现聚对苯二甲酸乙二醇酯单体分子在改性催化剂的作用下部分氧化为甲酸盐、乙酸盐和乙醇酸盐等化学品。综上，本研究为实现塑料废弃物中的碳源循环持续利用提供了一条可行的途径。

前言

2023年10月，南京农业大学理学院邱博诚教授团队在Green Chemistry期刊上在线发表了在光催化塑料高附加值转化领域的最新研究成果。该工作利用掺杂改性的光催化剂实现了废弃PET的高附加值转化同时产生清洁氢能源。论文第一作者为：杜梦梦，论文共同通讯作者为：邱博诚教授、盛天副教授、孙涛博士。

背景介绍

废弃塑料的处理问题引起了广泛的关注，此前传统的处理方式不仅会产生有毒有害气体，还造成了碳资源的浪费，因此，如何实现变废为宝成为了众多科研工作者研究的热点。由于光催化技术设备简单且操作方便，所以利用光催化手段对废弃塑料处理成为一种环保和经济可行的塑料处理措施。据此，设计制备高效光催化剂是研究的重点。对催化剂进行改性处理也被证实了是提升光催化性能的措施之一，其中，元素掺杂改性光催化剂可以提高电导率和抑制载流子复合，而利用元素掺杂策略改性光催化剂研究其在聚对苯二甲酸乙二醇酯高值化中的作用尚未有研究报道。

本文所用设备

图文解析

图1所示为氧掺杂CuIn₅S₈纳米片的合成示意图。通过系列表征证明了该改性方式不会破坏原有的晶型结构和形貌特征。

利用XPS探究元素表面化学环境的变化。可以看出，氧原子是以晶格氧的形式进入到晶格中。通过进一步分析其他元素的电子结合能变化得出氧对相邻的In元素的电子云密度影响较为明显，所以氧原子是取代[In-S]层间的硫原子掺杂进入晶格。

综合UV-Vis-DRS和Motty-Schottky测试推测催化剂的带隙位置。光电流以及阻抗测试表明氧掺杂显著提升了电子空穴的分离效率也提高的电子传输的性能。

对催化剂光催化产氢性能进行探究，最佳氧掺杂量的催化剂表现出优异的产氢活性（2.57±0.02 mmol·g^-1·h^-1）。利用密度泛函理论进行计算也表明氧掺杂确实有利于降低能带且提高对氢的吸附/脱附，这也与实验结果一致。稳定性测试说明了该催化剂的长时间稳定产氢性能。

以PET塑料水解液作为反应底物进行光催化反应，通过核磁氢谱分析反应底物的变化，可以看出反应后塑料的单体分子被选择性氧化成为了甲酸盐，乙醇酸盐以及醋酸盐（图a和b）。对反应中的氧化物种进行鉴定，得出在塑料氧化反应中是以光生空穴为氧化物种的乙二醇直接氧化作用。最后，对反应路径的计算表明乙二醇分子是经乙醇酸中间体路径被氧化成甲酸分子的。

作者介绍

邱博诚，南京农业大学教授。主要研究方向为：1.塑料废弃物高值利用；2.光/电催化水分解/CO2还原/固氮；3.高级氧化技术。迄今为止，共发表SCI论文40余篇，被引6300余次，h因子为38。其中，以第一/通讯作者身份在Chem. Soc. Rev., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.(2篇), Adv. Mater., Energy Environ. Sci., Adv. Funct. Mater.(2篇), ACS Catal.(2篇), Adv. Sci., Appl. Catal. B:Environ.(2篇), Small(3篇), J. Mater. Chem. A(3篇)等国际期刊上发表SCI论文20余篇，8篇入选“ESI高被引论文”，2篇入选“0.1%热点文章”。作为负责人承担国家自然科学基金(面上/青年)、江苏省自然科学基金、松山湖材料实验室开放课题等多个研究项目，入选全球前2%顶尖科学家榜单(World's Top 2% Scientists 2023, Stanford Univ)，受邀担任Nano Research Energy（中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊）青年编委及Angew. Chem. Int. Ed., ACS Nano, ACS Catal.等多家期刊审稿人。