催化学报 ›› 2025, Vol. 76: 159-172.DOI: 10.1016/S1872-2067(25)64777-2

• 论文 • 上一篇    下一篇

基于Ni单原子/P,N掺杂非晶态NiFe2O4作为阳极和Ag@CuO/Cu2O纳米立方体作为阴极组成的高效光电化学系统用于微塑料氧化和二氧化碳还原

朱鸿睿a,1, 王希伦b,1, 赵娟涓a, 尹梦晗a, 徐慧民a, 李高仁a,*()   

  1. a四川大学材料科学与工程学院, 四川成都 610065
    b中山大学化学学院, 广东广州 510275
  • 收稿日期:2025-03-16 接受日期:2025-05-20 出版日期:2025-09-18 发布日期:2025-09-10
  • 通讯作者: 李高仁
  • 作者简介:第一联系人:

    1共同第一作者.

  • 基金资助:
    国家自然科学基金(52373215);四川省自然科学基金(2023NSFSC0086);高校基本业务费(YJ2021156)

Efficient photoelectrochemical cell composed of Ni single atoms/P, N-doped amorphous NiFe2O4 as anode catalyst and Ag NPs@CuO/Cu2O nanocubes as cathode catalyst for microplastic oxidation and CO2 reduction

Hong-Rui Zhua,1, Xi-Lun Wangb,1, Juan-Juan Zhaoa, Meng-Han Yina, Hui-Min Xua, Gao-Ren Lia,*()   

  1. aCollege of Materials Science and Engineering, Sichuan University, Chengdu 610065, Sichuan, China
    bSchool of Chemistry, Sun Yat-sen University, Guangzhou 510275, Guangdong, China
  • Received:2025-03-16 Accepted:2025-05-20 Online:2025-09-18 Published:2025-09-10
  • Contact: Gao-Ren Li
  • About author:First author contact:

    1 Contributed to this work equally.

  • Supported by:
    the National Natural Science Foundation of China(52373215);the Sichuan Science and Technology Program(2023NSFSC0086);the Fundamental Research Funds for the Central Universities(YJ2021156)

摘要:

塑料在人类生活中无处不在, 废弃的塑料已对环境和人体造成严重危害. 大气中二氧化碳(CO2)的含量增加将导致温室效应. 因此, 利用环保高效的技术来处理微塑料垃圾和排放的CO2迫在眉睫. 光电催化具有反应条件温和、环境友好等优势, 在塑料微垃圾资源化处理和CO2再利用方面展现出巨大潜力. 聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)是一种典型的聚酯塑料, 易水解成单体有机物. 最近, 有报道称PET水解产物, 包括对苯二甲酸(TA)、乙二醇(EG)和邻苯二甲酸酯等, 可以通过光催化或电催化技术转化为甲酸酯或其他高价值产品.

在已报道的催化剂中, Ni单原子催化剂因其优异的催化活性和较高的反应效率, 非常适于PET降解. 此外, 尖晶石(AB2O4)材料具有催化活性高、生产成本低、易合成等优点. 目前, 大多数非贵金属(如Fe, Co, Ni, Cu, Zn等)的单原子以M-N4或M-N-C键的形式存在. 由于尖晶石材料表面缺乏C或N位点, 在尖晶石材料上合成单原子尤为困难. 本研究通过P和N共掺杂替代NiFe2O4 (NFO)结构中Ni位点周围的O原子, 使NiO4位点变成Ni-N3-P位点, 成功合成了Ni单原子. 同时, 该过程会对NFO造成严重的晶格畸变, 并导致非晶结构的形成, 从而明显提升了催化性能.

本文开发了一种高效的光电催化系统, 该系统由P,N掺杂负载的Ni单原子(Ni SAs)的非晶态NiFe2O4 (Ni SAs/A-P-N-NFO)作为阳极, 由CuO/Cu2O纳米立方体负载的Ag纳米粒子(Ag NPs) (Ag NPs@CuO/Cu2O NCs)作为阴极, 并将该光电催化系统用于微塑料氧化和二氧化碳还原. 采用煅烧-H2还原法合成的Ni SAs/A-P-N-NFO阳极在AM 1.5 G光下对PET溶液的氧化反应法拉第效率可达到93%. Ag NPs@CuO/Cu2O NCs作为光电阴极在1.5 V vs. RHE下将CO2还原成乙烯和CO, 选择性分别为42%和55%. 结果表明, 光电催化是一种环境友好型技术, 它能很好地降解PET微塑料以及高效还原二氧化碳. 通过控制温度和光照作为对比实验, 证明了在Ni SAs/A-P-N-NFO表面的光照会产生光热效应, 使得反应由光、电、热三种效应同时作用, 明显提高了目标产物的转化率. 通过原位红外和原位拉曼证明了反应过程中的中间体演变. 最后, 通过理论计算解释了可能的反应机理和反应路径, 加深了对反应过程的理解.

综上, 本文展示了一种通过光电催化技术将PET微塑料转化为高价值化学品的策略, 并证明了该策略的可行性和经济价值. PEC系统的催化剂由地球上储量高的元素所制备, 生产成本较低. 本工作为降解微塑料提供了灵感和可行策略, 也为设计低成本的二氧化碳还原催化剂提供了创新思路.

关键词: Ni单原子, NiFe2O4, 光电催化, 聚对苯二甲酸乙二醇酯塑料氧化, CO2还原反应

Abstract:

Plastics are ubiquitous in human life and pose certain hazards to the environment and human body. The increasing amount of CO2 in the atmosphere will lead to the greenhouse effect. Therefore, it is urgent to treat microplastic waste and CO2 by using environmentally friendly and efficient technologies. In this work, we developed an efficient photoelectrocatalytic system composed of Ni single atoms (Ni SAs) supported by P, N-doped amorphous NiFe2O4 (Ni SAs/A-P-N-NFO) as anode and Ag nanoparticles (Ag NPs) supported by CuO/Cu2O nanocubes (Ag NPs@CuO/Cu2O NCs) as cathode for microplastic oxidation and CO2 reduction. The Ni SAs/A-P-N-NFO was synthesized by calcination-H2 reduction method, and it achieved a Faraday efficiency of 93% for the oxidation reaction of poly (ethylene terephthalate) (PET) solution under AM 1.5 G light. As a photocathode, the synthesized Ag NPs@CuO/Cu2O NCs was utilized to reduce CO2 to ethylene and CO at 1.5 V vs. RHE with selectivity of 42% and 55%, respectively. This work shows that the photoelectrocatalysis, as an environmentally friendly technology, is a feasible strategy for reducing the environmental and biological hazards of light plastics, as well as for efficient CO2 reduction.

Key words: Ni single atom, NiFe2O4, Photoelectrocatalysis, Poly (ethylene terephthalate) plastics, oxidation, CO2 reduction reaction