Angew. Chem.：等离子体耦合单原子催化助力废塑料高效回收利用

学术 2024-11-10 09:26 浙江

▲第一作者：于笑,德国弗劳恩霍夫材料回收和资源战略研究所&德国达姆斯塔特工业大学博士生；饶志强, 西南石油大学博士 & 北京大学博士后

通讯作者：陈国星, 德国达姆斯塔特工业大学；黄泽皑, 西南石油大学；周莹, 西南石油大学

论文DOI：10.1002/anie.202404196 （点击文末「阅读原文」，直达链接）

因其低成本、高实用性而迅速成为现代社会不可或缺的材料，广泛应用于各行各业。然而，随着塑料产量的爆发式增长，其难以降解的特性导致了全球范围内塑料废弃物的堆积成灾。令人担忧的是，全球塑料废弃物的回收率还是非常低，当前的填埋和焚烧处理，不仅会占用大量土地和产生有害气体和混合物。还造成高价值的废塑料资源的巨大浪费和消耗大量的辅助燃料。目前，传统的塑料回收方式存在能耗高、效率低、产品附加值低等不足，还可能在回收过程中产生新的污染物，进一步加剧了环境负担。因此，开发高效、环保的塑料化学循环与升级回收技术，已成为减少碳排放、保护资源和环境的关键途径。

近期，国际知名期刊《Angewandte Chemie. International Edition》以“Plasma‐Enabled Process with Single‐Atom Catalysts for Sustainable Plastic Waste Transformation”为题，以内封面在线报道了德国达姆施塔特工业大学陈国星研究员、西南石油大学周莹教授、黄泽皑副教授等学者的合作研究成果。

在本研究中，作者提出了一种新型高效的微波等离子体耦合单原子催化技术。这一技术能够在毫秒时间内迅速分解各种类型的塑料垃圾及其混合物，通过一步法串联工艺，成功实现了将塑料废弃物选择性地转化为高附加值碳纳米材料和富氢气体。这一技术展现出巨大的应用潜力，为塑料垃圾的处理提供了全新的解决方案，也为实现资源的可持续利用和减少环境污染开辟了新的路径。

作者首先讨论了该等离子技术在无催化剂参与的条件下对五种生活中常见塑料及其混合物的裂解效果，这种等离子体策略能够在极短的反应时间内对混合塑料废物进行回收，无需额外的分拣或预处理过程即可直接将废物混合物转化为富氢气体和石墨。以高密度聚乙烯（HDPE）为例，其氢气产率及选择性可分别达到同等条件下传统热裂解过程的的14倍和6倍。当将单原子催化过程与等离子体裂解过程相结合时，氢气产量和选择性显著增加。这一研究结果为经济高效地回收塑料废物提供了一条可行的途径。此外，研究表明，等离子体耦合单原子催化方法能够实现近100%的氢原子回收效率，进而实现高效的氢气生产。

通过XRD（Rietveld精修）、STEM和XAS技术对经过五个连续循环使用后的催化剂进行表征，结果表明，所研究的催化剂在结构和配位上基本保持不变。即使在连续测量10个循环后，氢气产率仍能保持在42.9 mmol/g_塑料的高水平，第七个循环中达到了46.7 mmol/g_塑料的最高氢气产率（相当于理论氢气产率的64.4%），这一结果表明，等离子体裂解与单原子催化过程的耦合，不仅能够稳定地将塑料持续转化为氢气，还能有效生成高价值的碳纳米管。此外，通过结合实验和DFT计算方法，作者对等离子体耦合单原子催化脱氢机制进行了深入研究。

本研究所开发的微波等离子体技术在氢气能源效率（g_H2/kWh）方面显著优于现有的其他裂解工艺。此外，这一工艺可以快速开启和关闭，具备与风能、太阳能等可再生能源灵活结合的优势，尤其在这些能源高峰生产且供应波动时尤为有效。等离子体耦合单原子催化策略进一步提升了整体性能，展示了将废塑料转化为清洁氢气、高值化学品和碳纳米材料的巨大潜力。这一创新工艺不仅有助于开发更多塑料化学循环与升级回收的方法，也为塑料循环经济的建立提供了有力支持。

作者和研究团队信息

陈国星，德国达姆斯塔特工业大学研究员。主要研究方向为等离子体技术在能源转化和环境治理中的应用和气体分离膜的设计和应用，已在包括Nature Review Materials, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem，Adv. Funct. Mater. 等高水平期刊上发表论文共计60余篇，授权国际PCT专利1项 (第一发明人)。2021年牵头组织混合离子-电子导体膜领域的22位知名专家学者共同编写了2022可持续混合离子电子膜路线图，为膜科学这一变革性技术在能源和环境领域的应用指明今后的发展方向。担任Small等期刊的客座编辑和Nano Material Science等期刊青年编委。获得2017年国家优秀自费留学生奖学金, 2023年JACerS 2nd Century Trailblazers Intiative, 2023未来化工学者， 2023年欧洲华人十大科技领军人才, 2024 RINENG 优秀青年科学家奖等奖项。主持和参与多项德国, 比利时以及欧盟科研基金和工业项目。

周莹教授、博士生导师，西南石油大学党委常委、副校长。国家杰出青年科学基金获得者、百千万人才工程国家级人选、国务院特殊津贴专家、教育部青年长江学者、英国皇家化学会会士、四川省学术和技术带头人等；四川省“天府峨眉计划”创新团队、四川省青年科技创新研究团队负责人。长期从事油气资源与绿色能源教学科研工作，是国家一流本科课程负责人，获得四川省教学成果奖二等奖等省级教学成果奖励3项，指导的学生多次获得中国“互联网+”大学生创新创业大赛银奖、全国大学生可再生能源优秀科技作品竞赛一等奖等。主持国家重点研发计划重点专项课题等科技部项目2项、国家自然科学基金5项等，在科学通报、Nature Communications、JACS、Angew. Chem.等国内外期刊发表论文200多篇，被引11000多次，H因子65，2020年以来连续入选Elsevier中国高被引学者，授权国内外发明专利40多项。研究成果获得教育部自然科学奖二等奖、四川省自然科学奖二等奖、中国石油和化工自动化行业技术发明一等奖等，个人获得霍英东教育基金会青年教师奖、中国石油和化学工业联合会青年科技突出贡献奖、侯德榜化工科学技术青年奖等。兼任中国高等教育学会碳中和与清洁能源教育专委会常务理事、中国材料研究学会理事、中国石油学会新能源专委会委员、成都市科技青年联合会主席等，《物理化学学报》、《无机材料学报》、《低碳化学与化工》、《Chinese Chemical Letters》、《Processes》等期刊高级编委、编委。

黄泽皑，博士，副教授，四川省青年千人专家，四川省专家服务团专家。2018年获日本京都大学博士学位，之后在日本产业技术研究院从事博士后研究。2018年9月，通过西南石油大学人才引进计划回国工作。一直从事天然气清洁高值利用的教学科研工作，获得全国教学成果奖二等奖、四川省教学成果奖二等奖各1项，指导的学生获得中国“互联网+”大学生创新创业大赛银奖、全国大学生可再生能源优秀科技作品竞赛二等奖等。主持国家自然科学基金青年基金、四川省重点研发、四川省国际合作计划项目等，在JACS, Angew. Chem，ACS Catal., Appl. Catal. B: Environ.等国际期刊发表SCI收录论文50余篇，文章他引2000余次，授权专利5项。研究成果获得中国化工学会科学技术奖二等奖、中国石油和化学工业联合会科学技术奖科技进步奖、湖北省科学技术奖自然科学奖三等奖等。现任《Advanced Powder Materials》、《低碳化学与化工》以及《油气与新能源》期刊青年编委、《Catalysts》杂志客座编辑。

研理云服务器

业务介绍

研理云，研之成理旗下专门针对科学计算领域的高性能计算解决方案提供者。我们提供服务器硬件销售与集群系统搭建与维护服务。

● 配置多样（单台塔式、两台塔式、多台机架式），按需定制，质量可靠，性价比高。

● 目前已经为全国 100 多个课题组提供过服务器软硬件服务（可提供相同高校或临近高校往期案例咨询）。

● 公司服务器应用工程师具有量子化学、第一性原理、分子动力学等相关学科研究背景。

● 公司与多位化学、材料领域理论计算方向专家长期合作，一起探索最优服务器软硬件配置和部署。

● 可参与招投标。

产品特色

● 定制化硬件配置：提供售前实例测试，为您提供最合适的硬件配置方案。

● 一体化软件服务：根据需求，发货前，完成系统、环境、队列、计算软件等所有内容的安装与配置，让您实现开机即用。

● 完善的售后服务：为每位客户建立专属服务群，遇到问题及时解决。大大降低使用学生使用门槛和缓解老师压力。三年硬件质保 + 三年免费软件技术支持。

● 已购买客户咨询：我们已有超过100位已购买客户，可以给您提供相同城市或者临近城市已购买客户的联系方式，以提供真实案例咨询。

● 赠送课程学习机会：可选课程包括量子化学（Gaussian），第一性原理，（Vasp），分子动力学模拟（Lammps、Grommacs），钙钛矿计算模拟（Vasp）等。具体赠送方案以沟通结果为准。

扫码添加客服微信

相

关

推

荐

1. 仪器表征基础知识汇总

2. SCI论文写作专题汇总

3. Origin/3D绘图等科学可视化汇总

更多科研作图、软件使用、表征分析、SCI 写作、名师介绍等干货知识请进入后台自主查询。

http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzUxMDMzODg2Ng==&mid=2247740630&idx=3&sn=718c7d46e68ca4fa79b745ae01169a6a

研之成理

夯实基础，让基础成就辉煌；传递思想，让思想改变世界。“研之成理科研平台”立足于科研基础知识与科研思想的传递与交流，旨在创建属于大家的科研乐园！主要内容包括文献赏析，资料分享，科研总结，论文写作，软件使用等。科研路漫漫，我们会一路陪伴你！

最新文章

中科大，Nature Catalysis！

清华大学/南洋理工大学合作，Nature Nanotechnology！

二维材料，Science！

一作+通讯，Nature！

电合成，Nature！

电催化析氢，Nature Chemistry！

自组装，Nature Nanotechnology！

液流电池，Nature Energy！

中国科学院兰州化物所/武汉大学Science：催化羰基化！

湖南大学/河北师范大学合作，Nature Nanotechnology!

Nat. Commun: 锂硫电池中高结晶度硫化锂的生长规律及其自催化作用

西北工业大学王俊杰团队：六方MAB相缺陷工程助力高性能锂离子电池

济南大学原长洲教授课题组AEM：微型高熵掺杂Na3V2(PO4)2O2F：促进钠离子电池高效储钠。

兰州化物所赵培庆/孟旭Water Research：CO2转化利用背景下H2O2的新使命

齐齐哈尔大学郭东轩教授、李金龙教授，黄淮学院褚大卫副教授AFM:通过强 d-d 轨道调控优化钠离子吸附实现高效CDI

太原理工大学刘旭光教授团队：碳基粒子电极在三维电极反应器处理废水中的研究进展

牛津大学，Nature！

光化学，Nature！

中山大学JACS：导电镍酞菁基COF连续电合成医用级浓度纯H2O2溶液

孙道峰教授课题组Angew：环戊二烯钴功能化COF实现C2H2/CO2分离

浙江大学成有为/姚思宇/高晓峰 ACS Catal：氢溢流辅助构建邻近路易斯酸位点对助力纤维素氢解制备C3多元醇

通过光外场辅助平衡基元反应步骤强化丙烷脱氢反应

天津大学材料电化学与表界面工程团队：多级硬碳@硅@软碳用于高循环性高容量密度锂电负极

麻省理工李巨教授AEM：碳热冲击合成高熵氧化物催化剂，动态重构驱动OER活性提升

武汉理工大学，Nature Energy！

阿斯顿马丁超跑与联想共同打造的工作站（服务器）会是什么样？

乔世璋教授课题组JACS：光催化流动体系中聚酯废弃物的选择性转化

高熵催化：高熵合金表面构筑金属原子层串联催化硝酸盐还原

大连化物所刘岳峰课题组：S原子调节N掺杂碳材料中吡啶N的Lewis碱性用于提高H2S氧化的选择性

潘复生院士团队：高效构建致密人工SEI实现高度可逆的镁金属负极

姚金刚课题组：ZnCr2O4/HZSM-11催化CO2高选择合成富芳烃航空煤油

微/纳米材料超快合成领域高被引研究精选

西湖大学，Nature Materials！

顶刊综述：开发高电流密度电解水的实用催化剂

高熵催化：构建高熵金属间化合物降低结构异质性用于电催化废弃塑料升级

吉大管景奇课题组Chem Sci：不含氮的单原子锰催化剂：O/S双配位壳层策略提升氧还原性能

ACB：合成气直接转化为乙醇

山东理工大学：可调水态的超亲水性生物炭基水凝胶用于高效太阳能海水淡化

西湖大学：高温热冲击（HTS）快速合成和优化钠离子层状氧化物正极材料

香港理工大学/牛津大学 Edman Tsang课题组博士后/博士招聘

全合成，Science！

江南大学：原子分散Fe修饰氧掺杂多孔g-C3N4——通过催化剂-污染物间相互作用高效去除难降解磺酸类偶氮化合物

港科大杨征保教授Science Advances：压电生物薄膜3D打印卷王，一天打印8600 mm

吉大管景奇课题组：钌掺杂调节Ni/Fe-O的杂化轨道以促进析氧性能

清华大学/东京大学合作成果：利用燃料电池内部重整实现基于甲烷的气电共生

安徽师范大学Nano Res.：热冲击法助力工业级稳定产氢

上海交通大学沈琦课题组诚聘博士后

叶金花，Nature Catalysis！

膜，Nature！

Angew. Chem.：等离子体耦合单原子催化助力废塑料高效回收利用

分类

时事

民生

政务

教育

文化

科技

财富

体娱

健康

情感

旅行

百科

职场

楼市

企业

乐活

学术

汽车

时尚

创业

美食

幽默

美体

文摘

原创标签

时事社会财经军事教育体育科技汽车科学房产搞笑综艺明星音乐动漫游戏时尚健康旅游美食生活摄影宠物职场育儿情感小说曲艺文化历史三农文学娱乐电影视频图片新闻宗教电视剧纪录片广告创意壁纸头像心灵鸡汤星座命理教育培训艺术文化金融财经健康医疗美妆时尚餐饮美食母婴育儿社会新闻工业农业时事政治星座占卜幽默笑话独立短篇连载作品文化历史科技互联网

发布位置

广东北京山东江苏河南浙江山西福建河北上海四川陕西湖南安徽湖北内蒙古江西云南广西甘肃辽宁黑龙江贵州新疆重庆吉林天津海南青海宁夏西藏香港澳门台湾美国加拿大澳大利亚日本新加坡英国西班牙新西兰韩国泰国法国德国意大利缅甸菲律宾马来西亚越南荷兰柬埔寨俄罗斯巴西智利卢森堡芬兰瑞典比利时瑞士土耳其斐济挪威朝鲜尼日利亚阿根廷匈牙利爱尔兰印度老挝葡萄牙乌克兰印度尼西亚哈萨克斯坦塔吉克斯坦希腊南非蒙古奥地利肯尼亚加纳丹麦津巴布韦埃及坦桑尼亚捷克阿联酋安哥拉