催化学报 ›› 2026, Vol. 91: 304-314.DOI: 10.1016/S1872-2067(26)65201-1

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Pd/Bi2O3异质结构强金属-载体相互作用增强生物质电氧化升级转化性能

杨涵越, 温家家, 肖雪*(), 陈煜*()   

  1. 陕西师范大学材料科学与工程学院, 应用表面与胶体化学教育部重点实验室, 陕西省大分子科学重点实验室, 陕西省先进能源器件重点实验室, 陕西省先进能源技术工程实验室, 陕西西安 710062
  • 收稿日期:2026-04-07 接受日期:2026-05-27 出版日期:2026-12-18 发布日期:2026-10-13
  • 通讯作者: *电子信箱: tiffanyxx110@gmail.com (肖雪),
    ndchenyu@gmail.com (陈煜).
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(22272103);陕西师范大学材料科学与工程学院“青年科学家”研究生创新基金项目(2023YSIP-MSE-SNNU008);陕西省科技创新领军人才计划

Interfacial charge transfer via SMSI in heterostructured Pd/Bi2O3: A paradigm for sustainable electrochemical biomass upcycling

Han-Yue Yang, Jia-Jia Wen, Xue Xiao*(), Yu Chen*()   

  1. Key Laboratory of Applied Surface and Colloid Chemistry (Ministry of Education), Key Laboratory of Macromolecular Science of Shaanxi Province, Shaanxi Key Laboratory for Advanced Energy Devices, Shaanxi Engineering Lab for Advanced Energy Technology, School of Materials Science and Engineering, Shaanxi Normal University, Xi'an 710062, Shaanxi, China
  • Received:2026-04-07 Accepted:2026-05-27 Online:2026-12-18 Published:2026-10-13
  • Supported by:
    National Natural Science Foundation of China(22272103);Young Scientist Initiative Project of School of Materials Science and Engineering at Shaanxi Normal University(2023YSIP-MSE-SNNU008);Technology Innovation Leading Program of Shaanxi in China

摘要:

乙二醇(EG)是一种重要的平台分子, 既可通过废弃聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的解聚获得,也可由生物质资源转化制得. 通过电催化乙二醇氧化反应(EGOR)将EG选择性转化为乙醇酸(GA), 不仅能够实现废弃塑料和可再生碳资源的高值化利用, 还可以在阴极耦合析氢反应, 实现高附加值化学品与绿色氢气的协同生产. 与传统热催化氧化工艺相比, 电催化转化过程具有反应条件温和、能源输入可由可再生电力提供、产物调控灵活以及环境负荷较低等优势. 然而, EGOR涉及多电子转移和复杂的C-H/C-OH键活化过程, 反应过程中易生成强吸附中间体并造成催化剂表面中毒. 同时, 过度氧化或C-C键断裂也会降低目标产物GA的选择性. 因此, 开发兼具高活性、高选择性和良好稳定性的EGOR电催化剂, 是实现EG绿色高值化转化的关键.
本文合成了一种新型0D/2D异质结构电催化剂, 即将Pd纳米晶均匀锚定于超薄Bi2O3纳米片上, 制备得到Pd-NCs/Bi2O3-NSs催化剂, 利用金属-载体强相互作用(SMSI)实现EGOR反应活性与选择性的协同优化. 物理表征结果表明, 超薄Bi2O3纳米片能够为Pd纳米晶提供丰富的锚定位点, 有效抑制金属纳米颗粒的团聚, 并构筑紧密接触的Pd-O-Bi异质界面. 光谱分析和密度泛函理论计算显示Pd与Bi2O3之间的界面耦合作用能够诱导电子由Bi2O3载体向Pd活性位点转移, 从而形成富电子Pd位点并调节其d带电子结构. 电子结构优化有助于促进EG分子的吸附与C-OH键活化, 同时削弱反应中间体在Pd表面的过强吸附, 降低中间体毒化对催化过程的影响. 此外, 亲氧性的Bi2O3载体可促进水分子活化并生成OH*物种, 进一步加速含氧中间体的转化过程. Pd活性位点与Bi2O3载体之间的协同作用可有效优化关键反应步骤的能垒和中间体吸附行为, 从而提高了EG向GA选择性氧化的反应效率. 电化学测试显示Pd-NCs/Bi2O3-NSs表现出优异的EG电氧化性能, 质量活性达到5.81 A mgPd-1, 较单金属Pd提升3.8倍, 生成GA法拉第效率高达92.1%, 并在连续运行过程中保持了良好的稳定性. 技术经济分析表明, 其GA生产成本低至2.625美元/公斤; 生命周期评估结果显示, 相较传统工艺, 其全球变暖潜能值可降低70%, 证明其在经济性和环境可持续性方面均具有明显优势.
综上, 本文通过构筑Pd-NCs/Bi2O3-NSs异质结构催化剂, 实现了PET衍生EG向GA的高效、高选择性电催化转化. 实验测试和理论计算均显示, 利用SMSI调控金属活性位点电子结构, 结合亲氧氧化物载体促进OH*生成, 是提升EGOR反应活性、选择性和稳定性的有效策略. 本工作不仅为塑料废弃物和生物质衍生小分子的绿色高值化利用提供了高效催化体系, 也为金属/氧化物异质结构催化剂的理性设计提供了新的思路.

关键词: 强金属-载体相互作用, 乙二醇电氧化反应, 生物质增值, 聚对苯二甲酸乙二酯升级回收, 异质结构催化剂

Abstract:

The electrochemical oxidation of ethylene glycol (EG) to glycolic acid (GA) represents a promising route for valorizing plastic waste and biomass-derived feedstocks while co-producing hydrogen. However, existing catalysts are limited by low selectivity, rapid deactivation, and high overpotentials. Herein, we report a 0D/2D heterostructured catalyst, Pd-NCs/Bi2O3-NSs, in which Pd nanocrystals are uniformly anchored on ultrathin Bi2O3 nanosheets. Spectroscopic studies and density functional theory calculations reveal that the strong Pd-O-Bi interfacial interactions induce charge transfer from Bi2O3 to Pd, generating electron-rich Pd sites with a downshifted d-band center. Together with the effect of oxophilic Bi2O3, this optimizes reaction energetics and suppresses intermediate poisoning. As a result, the catalyst delivers 5.81 A mgPd-1 mass activity, 92.1% Faradaic efficiency for GA, and excellent durability. Techno-economic and life-cycle analyses further confirm its cost competitiveness and environmental benefits.

Key words: Strong metal-support interaction, Ethylene glycol electrooxidation, Biomass valorization, Polyethylene terephthalate upcycling, Heterostructured catalysts