铒掺杂MnO2 纳米棒催化PET降解耦合产氢的"一石二鸟"策略

针对能源危机与白色污染双重挑战，研究人员开发了快速拉伸铒掺杂MnO2 纳米棒（Rs-Er/MnO2 ），实现了聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）降解为对苯二甲酸（PTA）和乙二醇（EG），并进一步将EG氧化为甲酸（FA）同时耦合产氢（HER）。该催化剂在1.54 V低电压下实现10 mA cm?2 电流密度，为稀土金属催化剂在塑料升级回收领域提供了新思路。

　　

白色污染与能源危机如同现代社会的"孪生恶魔"——全球每年产生约3亿吨塑料垃圾，其中聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）占比高达18%，其自然降解需数百年；与此同时，传统电解水制氢技术因阳极氧析出反应（OER）动力学迟缓，能耗居高不下。这两大难题看似无关，却在本研究中被巧妙串联：能否将PET降解过程转化为驱动产氢的"燃料"？

中国研究人员通过设计快速拉伸的铒掺杂MnO₂
单晶纳米棒（Rs-Er/MnO₂
），开创性地实现了PET降解与产氢的协同催化。该催化剂在1 M KOH+0.3 M EG电解液中仅需1.54 V电压即可驱动10 mA cm^?2
电流，同时将乙二醇（EG）高效转化为高附加值甲酸（FA）。这种"塑料变能源"的策略，如同化学反应中的"点石成金"，为破解环境-能源困局提供了双赢方案。

关键技术方法
研究采用水热法合成Er/MnO₂
前体，通过高温快速拉伸工艺制备Rs-Er/MnO₂
纳米棒；利用PET碱性水解液（4 M KOH，90°C处理4天）获得含EG和PTA的降解产物；通过场发射扫描电镜（FE-SEM）、透射电镜（TEM）和X射线光电子能谱（XPS）表征材料结构；采用¹
H NMR分析EG氧化产物；在三电极体系中测试电催化性能。

研究结果

材料表征
FE-SEM显示Rs-Er/MnO₂
呈现均匀纳米棒结构（图1a），元素映射证实Mn、O、Er的均匀分布。XPS分析揭示关键发现：Rs-Er/MnO₂
中Er 4d_3/2
峰消失（图2b），表明快速拉伸导致Er 4d轨道电子重排，这与缓慢拉伸样品（Ss-Er/MnO₂
）形成鲜明对比。这种电子结构变化创造了更多活性位点，如同为催化剂装上了"分子级加速器"。

电催化性能
在1 M KOH中，Rs-Er/MnO₂
的析氢过电位仅255 mV（10 mA cm^?2
）。当电解液加入0.3 M EG时，全水解电压降至1.54 V，比传统OER体系降低约300 mV。¹
H NMR证实，在1.5 V优化电压下，EG被选择性氧化为FA，法拉第效率达82%。这种"电压折扣"效应，相当于用塑料降解的"化学能"补贴了电解水能耗。

结论与意义
该研究首次将稀土元素Er的4f电子特性与MnO₂
的3d轨道优势相结合，通过快速拉伸诱导的电子重排效应，创造了具有双重活性的Rs-Er/MnO₂
催化剂。其创新性体现在三方面：（1）提出PET升级回收-产氢耦合新范式，将塑料垃圾转化为氢能和高值化学品；（2）揭示稀土元素电子结构调控规律，Er 4d轨道电子重排是提升活性的关键；（3）开发出低能耗（1.54 V）的集成系统，较传统两段式工艺节能约20%。这项发表于《International Journal of Hydrogen Energy》的工作，为稀土催化剂在环境-能源交叉领域的应用开辟了新航道。