串联-并联结构导向光生载流子迁移加速Co3O4/ZnO@g-C3N4中空纳米反应器光催化聚烯烃塑料升级回收制乙酸

针对聚乙烯(PE)塑料C-C键化学惰性导致太阳能转化效率低的难题，研究人员设计了一种具有串联-并联结构的Co3O4/ZnO@g-C3N4中空纳米反应器，通过调控光生载流子定向迁移和表面反应活性位点，实现PE转化率81.9%和乙酸产率52.1 mg gcat-1 h-1的突破性性能，为塑料废弃物高值化回收提供新策略。

　　

塑料污染已成为全球环境危机的缩影，其中聚乙烯(PE)占全球塑料产量的30%，却因化学惰性难以降解。传统填埋或焚烧处理不仅造成碳资源浪费，还会释放有毒物质。将PE转化为高附加值化学品如乙酸，既能缓解环境压力又可实现资源循环，但C-C键的选择性断裂一直是科学界的"圣杯"挑战。

中国研究人员在《Applied Catalysis B: Environment and Energy》发表的研究中，创新性地构建了具有串联-并联结构的Co₃O₄/ZnO@g-C₃N₄中空纳米反应器。该设计通过ZnO中空腔体增强光捕获，与g-C₃N₄(石墨相氮化碳)形成串联异质结抑制电子-空穴复合，同时Co₃O₄纳米颗粒作为平行模块引导电子定向迁移。这种"三明治"结构成功实现PE转化率81.9%和乙酸产率52.1 mg g_cat^-1 h^-1，并对聚丙烯(PP)、聚氯乙烯(PVC)等常见塑料展现普适性。

研究采用水热法制备ZIF-8前驱体，经煅烧获得ZnO中空结构，通过气相沉积引入g-C₃N₄形成异质结，最后负载Co₃O₄纳米颗粒。结合SEM(扫描电镜)、TEM(透射电镜)、XPS(X射线光电子能谱)等表征手段证实结构特征，利用DFT计算阐明反应机制。

Morphology and Structure of Catalysts
电镜显示ZIF-8前驱体为2μm的规则十二面体，煅烧后形成中空结构但保留外壳完整性。HR-TEM观察到0.248nm晶格条纹对应ZnO的(101)晶面，g-C₃N₄的引入形成明显界面，Co₃O₄纳米颗粒均匀分布在表面。

Conclusion
该工作通过"壳-腔-活性位"的模块化设计，实现光生电荷定向迁移和表面反应的精准调控。实验证明串联结构(g-C₃N₄→h⁺←e^-ZnO)促进电荷分离，平行结构(Co₃O₄NPs←e^-)诱导电子表面富集，协同作用下羟基自由基优先攻击C-C键，使C-H键活化能降低42.7%。

这项研究不仅为塑料升级回收提供高效催化剂，更通过"结构-性能"关系的深入解析，为多相光催化剂设计提供新范式。其创新性在于将电子传输路径的串联设计与表面活性位点的平行布局有机结合，使太阳能到化学能的转化效率达到新高度。