协同Ru单原子/团簇促进羟基化实现工业级电流密度下的PET升级回收

本文报道了一种在Ni(OH)2纳米片上构建协同Ru单原子（RuSA）与团簇（RuNC）位点的集成电催化剂（RuSA,NC/Ni(OH)2），该催化剂通过优化对乙二醇（EG）和羟基吸附物种（OHads）的吸附能力、促进羟基化及后续羟基自由基生成，并有效调控电子结构，在超过1 A/cm2的工业级电流密度下实现PET水解产物高效选择性转化为甲酸盐（法拉第效率达94.3%），同时耦合产氢，为塑料废弃物资源化提供了高性能催化解决方案。

　　

亮点

通过将协同作用的钌单原子（Ru_SA）和纳米团簇（Ru_NC）位点整合到Ni(OH)₂纳米片上（称为Ru_SA,NC/Ni(OH)₂），我们成功制备出一种集成电催化剂，该催化剂能够将聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）高效且选择性地转化为甲酸盐。得益于对乙二醇（EG）和羟基吸附物种（OH_ads）优异的吸附能力、由协同的Ru_SA和Ru_NC位点促进的羟基化及后续羟基自由基的生成，以及有效的电子结构调控，所提出的Ru_SA,NC/Ni(OH)₂催化剂表现出卓越的乙二醇（EG）电氧化性能，在超过1 A/cm²的工业级电流密度下（1.4 V vs. RHE），甲酸盐生产的法拉第效率达到94.3%，性能优于大多数已报道的电催化剂。此外，采用Ru_SA,NC/Ni(OH)₂催化剂的双电极流动电解系统能够将PET水解产物连续升级回收为甲酸盐，并同时产生氢气，在1.6 V电压下稳定运行150小时。在卓越的催化活性、选择性和耐久性以及实际适用性方面的综合优势，使得所提出的催化剂在可持续塑料废弃物增值方面具有巨大前景。

Ru_SA,NC/Ni(OH)₂电催化剂的设计与制备

Ru_SA,NC/Ni(OH)₂是通过在碱性条件下，将金属前驱体（RuCl₃·3H₂O和Ni(NO₃)₂·6H₂O）湿法化学浸渍到泡沫镍基底上，随后进行水热处理制备而成，如图1a所示。在此过程中，Ru³⁺物种与镍表面发生自发的伽伐尼置换反应，从而在Ni(OH)₂纳米片上原位构建了Ru单原子（Ru_SA）和团簇（Ru_NC）位点。作为对比，还特意制备了负载钌纳米颗粒的Ni(OH)₂催化剂（表示为Ru_NP/Ni(OH)₂）。

结论

总之，我们通过将协同作用的Ru单原子（Ru_SA）和团簇（Ru_NC）整合到亲氧的Ni(OH)₂载体上，成功制备出一种高效的电催化剂Ru_SA,NC/Ni(OH)₂，用于将PET衍生的乙二醇（EG）电化学氧化为甲酸（FA）。利用多种结构表征技术来识别所开发催化剂固有微观结构与催化性能之间潜在的依赖关系。电化学测试结果表明，Ru_SA,NC/Ni(OH)₂催化剂在乙二醇氧化反应（EGOR）中表现出优异的催化活性和甲酸盐选择性，在工业级电流密度下具有显著增强的耐久性。理论计算进一步揭示，Ru单原子和团簇之间的协同效应促进了团簇表面的羟基化，优化了反应中间体的吸附行为，降低了速率决定步骤的能垒，从而显著提高了催化性能。这项工作为设计用于塑料废弃物升级回收的高性能多位点电催化剂提供了新的见解。