隨著塑料垃圾問題日益嚴重，將廢塑料高效轉化為高價值化學品已成為環保領域的研究焦點。然而，由于聚烯烴塑料大量存在惰性的C-C 和 C-H 鍵，以及催化劑與聚合物分子鏈之間的有效界面接觸不佳，使得其升級再造成為可持續塑料經濟發展中的重大挑戰。因此，亟需開發高活性和高穩定性的催化劑從而突破現有瓶頸，以節能且具經濟效益的方式將聚丙烯和聚乙烯等廢棄聚烯烴轉化為高附加值的工業原料。 由于金屬納米顆粒具有表面等離子體共振（SPR）效應和強近紅外光吸收能力，常用于光催化劑的結構修飾以增強其催化性能。通過將 金屬納米粒子整合到具有優異化學穩定性的KNbO3 中作為光電子轉移中間體以構建級聯電荷轉移通道，實現載流子的有效分離。同時，通過將催化劑與塑料共同研磨，構建了O2-塑料-催化劑的三相體系以增加催化劑有效界面接觸面積。在固-固界面處，由于金屬離子SPR效應產生的熱量能夠活化C?C鍵，使其在光熱作用下斷裂，形成穩定的中間體并在同一光催化劑上同步還原生成C1-C3產物。 近日，四川大學高分子研究所江龍團隊和西南科技大學楊龍教授在廢棄塑料光熱催化轉化領域取得了突破性進展，通過Bi0/Bi3+ 共摻雜KNbO3成功開發了一種高效的光熱催化材料（Bi0@Bi3+-KNbO3），將廢棄聚丙烯等塑料轉化為CO和CH3COOH。這一研究成果為塑料垃圾的資源化利用提供了全新思路，也為可持續發展目標貢獻了一份力量。
圖1.Bi0@Bi3+-KNbO3 光熱催化劑的合成與結構表征。 作者通過紫外-可見光吸收光譜證明了金屬Bi的引入增強材料的光吸收。PL光譜，阻抗譜和飛秒瞬態吸收光譜的結果表明，Bi0@Bi3+-KNbO3 具有長壽命淺電子捕獲態以及等離激元誘導共振能量轉移過程，抑制光生電子-空穴對的復合和加速了界面電荷轉移。 圖2. 光吸收和光生電荷分離性能分析及其飛秒瞬態吸收光譜 作者通過改變Bi含量和投料比等反應條件以及用于循環穩定性測試篩選出最優的催化劑和反應物的投料比。結果表明, KBNO-200-1的CO 和CO?的光轉化率分別為209.41和 263.52 μmol gcat-1 h-1，約為 KNbO? 的 27.55 和 24.09 倍。然后，采用有限元法（FEM）模擬了光照下 由于Bi0 納米粒子的熱效應導致局部溫度升高，最高溫度接近160℃。最后，提出了聚丙烯在Bi0@Bi3+-KNbO3 上光催化轉化成C1-C3小分子主要過程。 圖3. 溫和條件下催化劑將塑料高效光轉化為高附加值材料。 作者通過原位紅外光譜，反應動力學模擬和DFT計算分析證明了可能的反應機理。結果表明，PP的光催化轉化過程可分為兩個步驟：在光照下，由 Bi0 的 SPR 效應產生的熱能使 PP 熔化并熱解為 C4 等小分子。隨后， C4 小分子被吸附于 Bi0@Bi3+-KNbO3 的表面并被超氧自由基的進攻，進一步轉化為 CO和CH?COOH 等化工原料。 圖4. 廢棄聚丙烯光催化轉化的機理分析。 本研究展示了光熱催化在塑料廢棄物資源化利用方面的巨大潛力。盡管塑料垃圾曾被視為環境的沉重負擔，但通過化學回收也可以成為可再生資源的一部分。我們期待這一研究成果能夠為全球塑料污染治理和可持續發展貢獻新的解決方案。 論文信息 Construction of Multistep Charge Transfer Pathways in Bi0@Bi3+-KNbO3 for Significantly Accelerated Photoconversion of Waste Plastics Xulong Fan, Lidan Lan, Yuanyu Chang, Long Yang, Yun Huang, Yi Dan, Long Jiang Angewandte Chemie International Edition DOI: 10.1002/anie.202502874
