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?東華大學Nano Lett.: 構建自激活富羥基ZnIn2S4,實現(xiàn)太陽能驅動聚烯烴降解2024-10-03
聚乙烯(PE)是廢塑料中體積最大、消耗量最大的聚合物,占廢塑料的57%。聚乙烯廢棄物由飽和C-C和C-H鍵組成,熱解溫度高(> 400 °C),因此傳統(tǒng)的聚乙烯化學降解需要較高的壓力和溫度。這不僅需要大量的能源消耗,而且生產(chǎn)復雜的產(chǎn)品,從而限制了它們的大規(guī)模工業(yè)應用。最近,有人報道了在高溫高壓和硝酸溶液中將聚乙烯塑料解聚成丙二酸中間體,然后通過Pd-TiO2光催化劑選擇性光轉化丙二酸為乙烯和丙酸。但是,由于強酸性溶液的殘留,這一策略對自然環(huán)境產(chǎn)生了不利影響。因此,有必要開發(fā)新的策略,以實現(xiàn)溫和的條件下光催化聚乙烯。
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近日,東華大學楊建平王麗陳燁等采用溶劑介導原位溶劑熱法合成了具有羥基和S空位的ZnInS2S4?(ZIS)基光催化劑,并研究了其對塑料廢棄物的光催化降解性能。以甲醇為溶劑制備的ZnIn2S4?(ZIS-MT)比以水(ZIS-Water)為溶劑制備的ZIS具有更大的比表面積、更多的羥基和更多的S空位。
結果表明,在純水中,ZIS-MT可以光轉化聚乙烯為CO2和CO,析出速率分別為1438.1和9.4 μmol-1?g-1,反應60小時后聚乙烯的質量下降為84.5%。對于其他塑料、塑料袋,甚至在真實的湖水環(huán)境中,ZIS-MT也表現(xiàn)出良好的光轉化性能。同時,與電催化技術相結合,可將塑料光轉化產(chǎn)物CO2/CO原位轉化為更有價值的產(chǎn)物(HCOOH)。
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原位表征和機理實驗表明,首先光激發(fā)電子和空穴參與水分解生成H+和OH?,同時O2被還原為O2??、H2O2和H2O,然后催化塑料的降解。活性自由基攻擊聚乙烯分子的C-H鍵,產(chǎn)生聚乙烯烷基自由基;在O2存在下,聚乙烯烷基自由基轉化為過氧自由基,進而攻擊聚乙烯的C-H鍵,形成過氧化氫基團。隨后,氫過氧化物基團被分解成羰基和乙烯基,它們可以繼續(xù)裂解并產(chǎn)生CO2和H2O。
最后,產(chǎn)生的CO2進一步還原,并完全轉化為CO和H2O。總的來說,該項工作深入探討了聚乙烯光降解的機理,并為進一步提高塑料廢棄物的利用價值提供了新策略。
Accelerated solar-driven polyolefin degradation via self-activated hydroxy-rich ZnIn2S4.?Nano Letters, 2024. DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c03067
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