天津大学-南开大学ACS Nano：双原子催化海水废塑料高效光重整

第一作者：轧宗洋

通讯作者：李梅，王华，张胜波

通讯单位：天津大学，南开大学

论文DOI： https://doi.org/10.1021/acsnano.5c02408 

废塑料给海洋生态系统带来了巨大的环境压力，通过光催化技术将塑料转化为高附加值化学品是一个有前景的解决方案，但低催化活性和选择性仍然是该领域的主要挑战。本文报道了一种原子分散Pt-B双位点催化剂（Pt SA/BCN100），用于PLA废塑料在海水中的光催化重整。机制研究表明Pt和B位点之间的协同效应显著提高了催化活性，B位点能够选择性地激活和断裂PLA的C-H和C-C键生成乙酸（AA），而Pt位点则促进水的还原生成氢气（H₂）。Pt SA/BCN100在海水中的氢气产率达到993 μmol g⁻¹h⁻¹，乙酸产率为300 μmol g⁻¹h⁻¹，且乙酸的选择性超过98%。此外，该催化剂既能够集中大规模处理PLA废物，也可以直接处理天然海水中低浓度PLA微塑料，展示了其在实际海洋环境中的应用潜力。技术经济分析和环境评估表明，这一催化系统在减少碳排放方面具有显著优势，并具备潜在的商业价值。本研究为PLA废塑料的高效回收提供了新的光催化转化途径，将为推动海洋废弃塑料治理提供参考价值。

近年来，塑料污染已经成为全球环境面临的严峻挑战之一，尤其是海洋塑料污染。聚乳酸（PLA）作为一种主流的可降解塑料,被广泛应用于包装、纺织等领域。然而，尽管PLA具备生物降解性，但在自然环境中，尤其是在海洋环境中，其降解速度极为缓慢，这导致大量的PLA废塑料最终被排放到环境中，成为持久的污染源。通过光催化，废塑料可以被转化为高附加值的化学品和能源，这提供了一种环境友好且可持续的塑料回收途径。原子分散催化剂作为一种新兴的催化材料，凭借其100%的原子利用率、可调的电子结构和量子尺寸效应，成为提高光催化效率的研究热点。在g–C₃N₄基光催化剂中构建原子分散的活性位点将有可能实现海洋环境中PLA塑料的高活性和选择性转化。

1. 设计在氮化碳（g-C₃N₄）载体上锚定原子级分散的 Pt-B 双位点，Pt-B双位点具有强的电子相互作用，协同提高光重整塑料活性和选择性。

2. 富电子 Pt 位点作为还原中心有助于光还原H₂O产H₂；富光生空穴 B 位点作为氧化中心有助于氧化LA(PLA塑料单体)为乙酸。

3. 展示了g级真实世界PLA废物和天然海水中低浓度PLA微塑料的直接光重整。技术经济分析和环境评价表明，该催化体系可显著降低碳排放，且具有潜在的商业价值。

 图1. Pt−B双位点催化剂光催化PLA废塑料升级与传统光重整路线对比示意图

本文报道了一种氮化碳锚定的原子分散Pt−B双位点催化剂（Pt SA/BCN100），用于在海水中光转化PLA为高价值乙酸和H₂（图1）。

图2. Pt-B双位点催化剂的制备及表征

Pt-B双位点催化剂是由内径约200 nm的纳米管组成的。纳米管上均匀分散着Pt单原子。此外，根据上述方法也成功获得了其他的金属单原子（Au, Ag, Pd）催化剂，显示了该合成方法的通用性。

图3. Pt-B双位点催化剂的精细结构表征

XPS证明了Pt-B之间存在很强的电子相互作用；¹¹B核磁共振波谱证明了B位点代替了氮化碳中三嗪环中顶点C位置插入到氮化碳的分子结构中； x射线吸收光谱（XAS）证明Pt原子是以Pt-N₃形式锚定在氮化碳的分子框架上 

图4. Pt-B双位点催化剂的光重整PLA性能评价

通过对催化剂的优化，证明Pt SA/BCN100的光催化产氢性能最佳，为993 μmol g_catal^-1 h^-1，液相产物主要为乙酸，其产率高达300 μmol g_catal^-1 h^-1，选择性高达98%。而且，催化剂表现出良好的循环稳定性。

图5. Pt-B双位点催化剂的光、电化学性能表征

Pt−B双位点显著增强了可见光捕获能力，优化了能带结构，加速了电子空穴分离和转移。 

图6. 反应机理探究

在可见光照射下，Pt SA/BCN100催化剂表面发生电子-空穴转移，LA在B位点经过两步脱氢转化为PA，再转化为AA。同时，Pt位点还原H₂O生成H₂。 

图7. 海水中g–级（10克）真实PLA废物和天然海水中低浓度PLA微塑料的直接光重整

为了证明该光催化系统的实际可行性，使用聚光反应装置对商用PLA塑料（包括PLA粉末、餐具、杯子、吸管和塑料袋）进行了10克级别的光重整反应。此外， Pt SA/BCN100在天然海水中仍表现出显著的析氢活性，证明可以有效处理海水中的微塑料。环境评估表明该光重整系统能够显著减少二氧化碳排放。

本研究提出了一种Pt-B双位点原子分散催化剂用于海水中高效光重整PLA废塑料。研究表明，Pt和B双位点之间的协同作用显著提升了催化性能。具体而言，B位点的富集光生空穴特性能够有效激活PLA中的C-H和C-C键，选择性地裂解PLA生成乙酸（AA）；而Pt位点则促进了氢气（H₂）的生成。从而实现了高效的H₂进化速率（993 μmol g⁻¹·h⁻¹）和乙酸产率（300 μmol g⁻¹·h⁻¹），且乙酸的选择性高达98%以上。此外，该催化系统不仅在规模化处理PLA塑料中表现优异，还成功地在天然海水中处理PLA微塑料，表明其在实际环境中的应用潜力。这种新方法使绿色氢工业和塑料升级相结合，为海洋环境的修复和分散的塑料回收提供了一种有前途的解决方案。未来的工作还应侧重于光催化装置的设计，以促进其在实际场景中高效大规模应用的潜力。

文献信息：Zongyang Ya, Mei Li, * Dong Xu, Hua Wang,*and Shengbo Zhang,*Asymmetric Atomic Pt−B Dual-Site Catalyst for Efficient Photoreforming of Waste Polylactic Acid Plastics in Seawater, ACS Nano, 2025, https://doi.org/10.1021/acsnano.5c02408.

李梅，南开大学助理研究员/博士后，主要从事人工光合作用及废弃塑料催化转化相关研究，以第一或通讯作者在ACS Catal.（5）, ACS Nano, Appl. Catal. B-Environ., Green Chem., ACS Sustainable Chem. Eng.等期刊发表学术论文15篇。

王华，天津大学教授，研究方向为二氧化碳电化学还原、计算催化、二氧化碳光催化转化等。在AIChE J., ACS Catal., Appl. Catal. B-Environ., Green Chem., J. Catal.等杂志发表论文60余篇。

张胜波，北洋英才学者，天津大学长聘英才副教授/特聘研究员，天津市可再生能源学会生物质能专委会委员。2020年博士毕业于天津大学化工学院，2020-2023年在清华大学化工系从事博士后研究。研究领域面向国家双碳战略目标，致力于废弃塑料高效循环与资源化、人工光合作用整合设备构建、氢能开发与利用等研究，以第一或通讯作者在Nat. Sustain., J. Am. Chem. Soc., AIChE J.,(2), ACS Catal.(7), ACS Nano (2), Chem. Sci.(2), Appl. Catal. B-Environ.(5)等杂志发表论文60余篇，ESI高被引论文8篇，授权发明专利10项；担任eScience (一区SCI, IF=42.9), Advanced Fiber Materials (一区SCI，IF=17.2), Journal of Materials Science & Technology (一区SCI，IF=11.2), Advanced Powder Materials (一区，IF=28.6), Green Carbon等期刊青年编委。