三院院士，联合「国家优青」/颜宁院士高徒，新发Nature子刊！
学术
2025-01-06 08:19
河南
将聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 催化升级为高价值含氧产品是一个令人着迷的过程，但仍然具有挑战性。2024年12月30日，挪威工程院院士陈德，中国石油大学（华东）冯翔教授和闫昊副教授在Nature Communications发表题为《Catalytic oxidation upcycling of polyethylene terephthalate to commodity carboxylic acids》的研究论文，Qinghai Chen，闫昊为论文共同第一作者，陈德院士、冯翔教授和闫昊副教授为论文共同通讯作者。在本文中，作者提出了一种一步串联策略，实现PET热催化氧化合成对苯二甲酸（TPA）和高价值乙醇酸（GA）而不是乙二醇（EG）。作者以富含氧空位的Au/NiO作为催化剂，成功加速了PET的水解，同时获得了99%的TPA产率和87.6%的GA产率。结果表明，NiO载体中的氧空位（NiO-Ov）倾向于吸附水解产物TPA，优先确保EG在Au-NiO界面的强吸附。此外，在EG氧化过程中，由两种结构组成的Au-NiO界面，即准“AuNi合金”和NiO-Ov，能够同时促进C-H键的活化，其中“AuNi合金”中的Ni表现出向氧性，锚定中间体C=O键，而NiO-Ov中残留的O会掠夺C-H键中的H。该Au/NiO催化剂进一步扩展用于促进其他聚乙二醇酯热催化氧化升级为GA，展现出优异的催化性能。图2：氧空位在Au/NiO-x催化剂中在PET热催化氧化升值为TPA和羟基乙酸中的作用
图3：乙二醇（EG）氧化为羟基乙酸（GA）的机理研究
综上，这项研究成功实现了将PET一步法催化氧化升级转化为高价值的TPA和GA。这一过程不仅加速了PET的水解，还促进了EG向GA的氧化。Au/NiO催化剂中的氧空位在EG氧化过程中起到了重要作用，一方面倾向于吸附TPA，另一方面促进了准“AuNi合金”和NiO-Ov的形成，加速了C-H键的活化。此外，从经济角度来看，这项研究提出的策略在PET的升级回收方法中具有显著优势，为废弃PET的高效利用提供了新的机遇，为设计能够高效利用废弃物的催化氧化系统铺平了道路，为实现更可持续和环保的未来提供了新的可能性。Chen, Q., Yan, H., Zhao, K. et al. Catalytic oxidation upcycling of polyethylene terephthalate to commodity carboxylic acids. Nat. Commun., (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-54822-w.🏅 我们提供专业的第一性原理、分子动力学、生物模拟、量子化学、机器学习、有限元仿真等代算服务。🎯我们的理论计算服务，累计助力5️⃣0️⃣0️⃣0️⃣0️⃣➕篇科研成果，计算数据已发表在Nature & Science正刊及大子刊、JACS、Angew、PNAS、AM系列等国际顶刊。 👏👏👏
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