盐模板法转化废塑料为单原子催化剂：环境与能源应用的新突破

研究人员针对塑料污染治理与高值化利用难题，创新性地开发了盐模板法将聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）等混合废塑料转化为具有金属-N4-Cl配位结构的单原子催化剂（SACs）。该技术通过过渡金属氯化物（Ni/Fe/Co等）模板实现塑料高效碳化，所得SACs在过硫酸盐活化降解污染物（PS-AOPs）和电催化氧还原反应（ORR）中表现卓越，为废塑料资源化与高性能催化剂制备提供了通用策略。

　　

全球每年产生数亿吨塑料垃圾，传统填埋和焚烧处理不仅造成资源浪费，还加剧环境污染。尽管塑料富含碳元素（如PE含碳量达92.3%），但现有转化技术存在产物价值低、金属分散不均等问题。单原子催化剂（SACs）因其最大化的原子利用率和独特电子结构，在环境催化和能源领域备受关注，但传统制备方法难以实现废塑料到SACs的高效转化。

这项发表于《Nature Communications》的研究提出了一种革命性解决方案：利用过渡金属氯化物（NiCl₂、CoCl₂等）作为模板和催化剂，在氨气氛围中将废塑料热解为具有原子级分散金属位点的层状碳材料。通过优化塑料与盐的质量比（如PE:CuCl₂=1:40），成功抑制了金属团聚，实现了克级规模的SACs制备。

关键技术方法

1. 1.

   盐模板碳化：将塑料碎片与金属盐混合后，在800°C氨气中热解3小时；

2. 2.

   酸洗纯化：采用2.4M盐酸去除金属杂质；

3. 3.

   同步辐射表征：通过XANES/EXAFS解析金属-N₄-Cl配位结构；

4. 4.

   性能评估：测试SACs在PS-AOPs和ORR等反应中的活性。

研究结果

1. 塑料衍生SACs的普适性合成

通过SEM/TEM观察到不同金属盐模板形成特征形貌：Ni/Co盐产生波纹状层状结构，而Cu盐生成平坦石墨烯。XRD证实酸洗后仅保留碳峰（2θ=26°），金属负载量<1 wt%。CuSA-PE的碳转化率高达88%，PVC因含氯促进碳化而产率最高。

2. 电子与配位环境调控

软X射线光谱（SXRS）显示C-N-金属键形成（285.3 eV），EXAFS拟合证实CoSA-MP存在Co-N₄-Cl配位。Cu因3d轨道全充满倾向形成Cu-N₄结构，而Cl占据轴向位置以降低空间位阻。

3. 环境催化性能

CoSA-MP活化过硫酸盐（PMS）降解苯酚的速率常数（k_obs）达0.47 min^-1，TOF值超越多数文献报道。原位拉曼发现835 cm^-1新峰（PMS*中间体），电化学测试证实电子转移路径（ETP）主导非自由基氧化机制。

4. 能源应用拓展

MnSA-PET在ORR中起始电位达0.9V，H₂O₂选择性仅11%；S/NiSA-PE锂硫电池首圈容量1175 mAh g^-1，100次循环后保持770 mAh g^-1。

结论与意义

该研究首次建立了废塑料到SACs的通用转化路径，通过金属盐模板实现了原子级分散的活性位点构筑。所获SACs在环境修复（90% TOC去除率）和能源转换（4e^- ORR）中表现卓越，为解决塑料污染与清洁能源需求提供了双重解决方案。特别是CoSA-MP的ETP机制避免了自由基副反应，为设计高效非自由基催化剂提供了新思路。这项技术有望推动塑料循环经济与碳中和目标的协同发展。