塑料产氢知多少？

自1950年以来，人类已经生产了80多亿吨塑料，全世界每分钟大约有100万个塑料瓶售出。由于成本低廉又兼具多种功能，塑料是各种应用的理想选择，但塑料越来越大规模的使用，也伴随着越来越严峻的处理难度。每年会有800万吨塑料进入海洋，那么到2050年，海洋塑料污染将超过海洋中的鱼类总量。尽管人类社会回收越来越普遍，但仍然有三分之一的塑料或因回收价值太低或因回收工艺太复杂而无法得到有效地回收。同时，在废塑料处理回收过程中不当的流程，非但不能解决塑料污染问题，甚至会进一步衍生出诸多环境问题。这种废物回收的严重性和复杂性意味着人们面临着新回收机制与再利用新方法的双重挑战。由于垃圾填埋场的容量和对海洋中塑料污染的关注度越来越高，因此如何更绿色的变废为宝，产生更具价值环境代价更低的塑料再生物是无数科学家梦寐以求的目标。

“塑料迷途”

一种潜在的解决方案是使用塑料废物作为产生H₂的原料。 H₂是一种很有前景的可再生能源载体，然而令人讽刺的是，目前全球96％的H₂供应是通过化石燃料的蒸汽重整产生的，“清洁能源”背后仍旧是高昂的环境代价。近来热解废旧塑料被提议作为替代合成方法，虽然它的H₂产率可以达到80-90％，但仍需要大量的能量输入（500-800^oC）并释放温室气体（~12 kg CO₂ per 1 kg H₂），这种能量代价和环境代价使得热解塑料产氢是否利大于弊仍有待研究。

太阳能驱动大奥妙

Photoreforming

太阳能驱动的重整方式是一种新方法，可以将废塑料转化为H₂燃料。Photoreforming (PR)，该过程仅需要阳光和合适的光催化剂。光致重塑需要四种成分—光催化剂，基质，阳光和水，就可以实现在环境压力和温度下产生H₂（图1）。涉及的主要过程是：电子被太阳光激发到光催化剂的导带（CB），伴随着将水还原成H₂。光催化剂的价带（VB）中会产生空穴，空穴会将基质氧化成较小的有机分子，并保留在溶液中。

图1. 概念图

该研究使用不含贵金属的光催化剂对三种常见聚合物（包括PET水瓶）进行可见光驱动重塑。在碱性水溶液中以CdS/CdOx量子点（QD）作为光催化剂，实验证明可以从聚乳酸（PLA），聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET），聚氨酯（PUR）和PET水瓶中光催化得到H₂。同时，初步分解后的塑料聚合物也被赋予了有机产品（产物含有：甲酸盐，乙酸盐和丙酮酸盐等）的价值，实现了产氢和有机物质“增值”的双重功用。实验利用PET水瓶转换为H₂进一步验证方法的实际适用性。

理论的“阳光”

图2.在模拟太阳光下，使用CdS/CdOx QD（1 nmol）将聚合物光致重塑为H₂活性。

该研究重要的是，从可自由使用的废塑料中获得的活性与基于CdS的更昂贵基材的PR是相当的，例如Ni/CdS上的糠醛（3.9 mmolH₂ g_cat^-1 h^-1），NiS/CdS上的乳酸（7.3 mmolH₂ g_cat^-1 h^-1），和MoS₂/CdS上的葡萄糖（55 mmolH₂ g_cat^-1 h^-1），这也就意味着本研究体系催化剂，成本低廉性能也佳。它们也优于先前报道的塑料PR：5％Pt/TiO₂在5M NaOH溶液中， 使用PE与PVC，产氢速率达到0.031 和 0.015 mmolH₂ g_cat^-1h ^-1时，对应CdS/CdOx显示高出8.5和17倍的活性。实验还进行预处理的比对，研究认为预处理能够引发水解，将单体释放到溶液中，进而更快地实现光致重塑过程。

图3.氧化产物鉴定

控制氧化半反应，使其生成高价值的有机产物而不是完全碳化为CO₂是该过程更有价值的体现。 研究使用¹H-NMR光谱分析反应混合物并鉴定有机氧化产物。

产物详情如下：

图4. 真实水瓶挑战

研究的最后使用PET水瓶来验证PR的实用性。测试真正的塑料样品是十分必要的，现实中的塑料制品通常含有额外的填料，交联剂或抗氧化剂，可能使PR更具挑战性。

图4显示了6天的过程中，水瓶连续产生H₂，活性高达4.13±0.40 mmol_H2 g_CdS^-1 h^-1，外部量子产率为2.17±0.38％，转换率为5.15±0.72％。预处理为H₂生成给予了初步改善，随着未经处理的样品中聚合物水解的进行，这种优势会随着时间的推移而减慢。

致亲爱的地球

在本工作中，通过光致重塑方法，各种广泛生产的塑料，包括聚乳酸，聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚氨酯，实验水平上通过CdS/CdOx量子点实现了生成H₂和相应有价值有机物的双重目标。系统有效利用可见光，不需要昂贵的贵金属，当然该工作仍旧停留在理念上，未来的工作需要进一步探索替代性的催化剂和更加具有实际应用的转换系统。

探索不止，未来可期。

文献信息:

Uekert, Taylor, et al. “Plastic waste as a feedstock for solar-driven H₂ generation. “Energy & Environmental Science (2018).

原文链接：

http://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2018/EE/C8EE01408F#!divAbstract

相关推荐：NEW REPORT: RECYCLING PLASTIC IS MAKING OCEAN LITTER WORSE

https://www.thegwpf.org/new-report-recycling-plastic-waste-is-making-ocean-litter-worse/

供稿丨深圳市清新电源研究院

部门丨媒体信息中心科技情报部

撰稿人丨岚

主编丨张哲旭

我们来自清华，服务世界，汇各路英才，谋学术大事。

科研交流，文献解读，顶刊追踪，经典干货，

只要你足够优秀，

我们提供广阔的平台，丰厚的稿酬，戳我加入清新电源编辑部。