铂箔催化剂实现工业级电流密度下甲酰胺电合成：塑料废弃物升级回收的新策略

本研究针对传统甲酰胺(HCONH2)合成工艺高能耗、高排放的问题，开发了基于商用铂(Pt)箔催化剂的电化学转化新方法。通过将废弃聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)衍生的乙二醇(EG)与氨(NH3)共氧化，在工业级电流密度(100 mA cm-2)下实现了55.87%法拉第效率(FE)和1003.63 μmol cm-2 h-1的产率。原位光谱与理论计算揭示CH2O和NH2为关键中间体，产物可持续性指数(ProdSI)和技术经济分析(TEA)证实该策略兼具经济性与环境友好性，为塑料升级回收提供了新思路。

　　

在全球塑料污染治理和碳中和的双重挑战下，如何将废弃塑料转化为高附加值化学品成为研究热点。传统甲酰胺(HCONH₂)工业生产依赖高温高压下CO与NH₃的催化反应，能耗高且碳排放量大。虽然近年电催化合成提供了新途径，但纳米催化剂稳定性差、成本高的问题制约了工业化应用。更矛盾的是，现有研究过度聚焦纳米材料工程，却忽视了成熟商业催化剂的潜在价值。

这项发表于《Nature Communications》的研究另辟蹊径，发现商用铂(Pt)箔在PET衍生乙二醇(EG)与NH₃共氧化反应中展现出非凡性能。通过系统评估10种催化剂，研究人员发现α-PtO₂-(110)晶面具有最优的吸附能平衡：既能有效吸附EG和NH₃，又利于HCONH₂脱附。在0.5 M KHCO₃弱碱性电解质中，该体系不仅抑制了副产物(NH₄)₂SO₄生成，更实现了55.87±1.4%的FE和超500小时的稳定运行。

关键技术方法包括：1）采用原位衰减全反射表面增强红外光谱(ATR-SEIRAS)和差分电化学质谱(DEMS)追踪反应中间体；2）通过密度泛函理论(DFT)计算揭示α-PtO₂表面反应路径；3）构建膜电极组件(MEA)反应器实现连续生产；4）结合产物可持续性指数(ProdSI)和技术经济分析(TEA)评估系统可行性。

【Initial evaluation for the electrochemical synthesis of HCONH₂】

通过筛选PtRu/C、Pt/C等10种催化剂，发现Pt箔在100 mA cm^-2电流密度下FE达56.86%。DFT计算证实α-PtO₂-(110)晶面对EG和NH₃的吸附能分别为-0.32 eV和-1.92 eV，优于其他材料。

【Investigation on the reaction mechanism】

原位光谱检测到1241 cm^-1(C-N键)和1745 cm^-1(CH₂O)特征峰，结合DEMS检测到m/z=46(H₂NCH₂O)中间体，证实反应按路径1进行：CH₂O与NH₂耦合生成*H₂NCH₂O，再脱氢形成HCONH₂。

【Optimization of electrochemical performance】

4.0 M EG和1.0 M NH₃条件下，KHCO₃电解质使FE提升至55.87%，产率达694.9 μmol cm^-2 h^-1。MEA反应器在150 mA cm^-2时产率突破1003.63 μmol cm^-2 h^-1，连续运行300小时无衰减。

【Upcycling plastic waste】

将PET降解获得的1.34 M EG溶液用于反应，仍保持47.68% FE。TEA分析显示该工艺可使HCONH₂生产成本降至1500美元/吨，较传统方法降低200美元。

这项研究颠覆了"贵金属催化剂必然高成本"的认知，证明商用Pt箔在特定反应中兼具高性能与经济性。其意义在于：1）为塑料升级回收提供了电化学解决方案；2）建立了ProdSI评估新范式；3）证明成熟催化剂在工业电合成中的独特价值。该工作被推荐为"电催化领域少有的同时实现高FE、高产率和长寿命的研究"，为绿色化学合成提供了新思路。