PET塑料废弃物的生物升级循环：基于细菌纳米纤维素的直接甲醇燃料电池高效电催化剂开发

本研究针对PET塑料废弃物污染问题，创新性地通过热解预处理和微生物转化技术，将PET水解产物升级为细菌纳米纤维素(BNC)，并进一步与聚乙烯醇(PVA)复合制备高效铂(Pt)催化剂(仅含3 wt% Pt)。该催化剂在直接甲醇燃料电池(DMFC)中表现出优异性能，为塑料废弃物资源化和清洁能源开发提供了可持续解决方案。

　　

塑料污染已成为全球性环境危机，其中聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)作为最主要的合成聚酯，占全球塑料市场的6.2%，广泛用于包装和纺织品。目前约80%的塑料废弃物最终进入填埋场或海洋，仅9%被回收利用。传统机械和化学回收方法存在局限性，而生物催化降解又面临效率低下的挑战。与此同时，直接甲醇燃料电池(DMFC)作为清洁能源技术，其商业化进程受限于昂贵的铂基催化剂和碳载体稳定性问题。如何实现PET废弃物的高值化利用，同时开发低成本高效催化剂，成为环境与能源领域的双重挑战。

在这项发表于《Carbon Resources Conversion》的研究中，国际研究团队开创性地将PET废弃物通过"热解-生物转化-催化应用"的全链条升级循环策略，开发出基于细菌纳米纤维素(BNC)的高效电催化剂。研究人员首先对PET织物(PET-F)和包装材料(PET-con)进行热解处理(250°C, 30分钟)，获得含对苯二甲酸(TPA)、单(2-羟乙基)对苯二甲酸(MHET)等的水解产物。通过优化Komagataeibacter medellinensis菌株的培养条件，在PET-F水解液中获得最高3.0 mg/mL的BNC产量，其纤维网络结构经FESEM证实具有典型三维网状形貌。

研究采用两步法合成催化剂：先将六氯铂酸(H₂
PtCl₆
)在硼氢化钠还原下沉积于BNC，再与聚乙烯醇(PVA)复合(BNC/PVA质量比8%)，最终获得仅含3 wt% Pt的高效催化剂。关键技术包括：热解预处理(250°C/30min)、静态培养生产BNC、化学还原法沉积Pt纳米粒子、溶液浇铸成膜等。通过FTIR、TGA、XRD、XPS、TEM、SEM-EDS等多种表征手段系统分析了材料特性。

研究结果显示，BNC/PVA复合载体具有独特的结构和性能优势：FTIR证实羟基(-OH)丰富，为Pt沉积提供锚定位点；TEM显示Pt纳米颗粒平均尺寸为(3.2±0.64)nm，远低于4nm的催化活性阈值；XRD证实Pt的fcc晶体结构，特征峰位于39.8°(111)、46.2°(200)等位置；TGA分析测得实际Pt负载量为2.7 wt%，与设计值高度吻合。特别值得注意的是，复合材料的吸水率(WA)达332.4%，而热稳定性较纯组分有所提高，最大降解温度升至330.4°C。

在电化学性能方面，Pt-BNC/PVA催化剂表现出色：循环伏安测试显示甲醇氧化起始电位低至0.15V(vs SCE)，比商业Pt/C催化剂更负移；在0.5M CH₃
OH + 0.1M H₂
SO₄
体系中，催化活性达0.45mA/cm²
，与含25 wt% Pt的商业Pt/C催化剂相当(0.48mA/cm²
)，而Pt用量减少近90%。这种优异性能归因于：1)BNC的三维网络结构提供高比表面积；2)PVA的羟基增强Pt分散性；3)纳米级Pt颗粒的尺寸效应。

该研究实现了从PET废弃物到高值功能材料的闭环转化，创新点主要体现在：首次将PET升级为BNC/PVA复合电催化剂；开发出仅需3 wt% Pt的高效催化剂；系统验证了生物-化学协同转化路线的可行性。这不仅为塑料废弃物管理提供了可持续解决方案，也为DMFC催化剂的低成本化开辟了新途径。未来研究可进一步优化微生物转化效率，探索催化剂规模化制备工艺，并评估其在完整燃料电池系统中的长期稳定性。这项工作完美诠释了"变废为宝"的循环经济理念，对环境治理和清洁能源发展具有双重意义。