闭合资源循环：红土矿矿物升级回收转化为用于循环塑料前体的协同电催化剂

《Resources, Conservation and Recycling》：Closing the resource loop: Mineral upcycling of laterite ore into synergistic electrocatalysts for circular plastic precursors

　　

摘要

生物塑料的气候效益可能会因其合成催化剂的环境密集型生产而削弱，这是一种常被忽视的上游负担。在 5-羟甲基糠醛 (HMF) 电化学氧化为 2,5-呋喃二甲酸 (FDCA) 的过程中（FDCA 是生物塑料聚（2,5-呋喃二甲酸乙二醇酯）(PEF) 的关键单体），这种负担会抵消其相对于石油基聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 的优势。在此，我们设计了一种协同 Ni-Sc 催化剂，更重要的是，引入了一种矿物升级利用策略来打破这种权衡。钪掺杂镍金属有机框架 (NiSc-MOF) 促进了顺序醇/醛氧化，在 1.44 V 下实现了 97.4% 的 FDCA 产率。通过直接将红土镍矿转化为 NiSc-MOF，我们绕过了传统高纯度盐类的高能耗和高排放生产，实现了 200 小时稳定运行，法拉第效率达到 92.9%。生命周期评估显示，该方法将 FDCA 合成对气候的影响和资源耗竭分别减少了 14% 和 24%。当将这些效益扩展到整个 PEF 生产系统时，与 PET 相比，它实现了温室气体排放减少 33% 和化石资源消耗减少 49%，为下一代生物塑料促进了一条更具资源效率和可持续性的路径。

引言

从石油基塑料向生物基塑料的转型对于减轻塑料工业的环境影响至关重要。在很有前景的生物衍生平台分子中 (Guo 等，2023; Hsiao 等，2022; Huang 等，2025; Sendeku 等，2024; Xia 等，2022)，5-羟甲基糠醛 (HMF) 是 2,5-呋喃二甲酸 (FDCA) 的关键前体，而 FDCA 是制造聚（2,5-呋喃二甲酸乙二醇酯）(PEF) 的关键单体 (Huang 等，2025)。作为石油衍生对苯二甲酸的可再生替代品，FDCA 因其潜在的可再生聚合物生产作用而引起了广泛关注。然而，实现这一潜力关键取决于建立绿色、高效且可扩展的 FDCA 合成路线 (Ren 等，2025)。

HMF 的电化学氧化 (HMFOR) 提供了一条有吸引力的路线，因为它在环境条件下运行，并且相对于水氧化，在较低的阳极过电位下同时生产高附加值 FDCA 和氢气 (Hou 等，2026; Zeng 等，2023)。然而，这个本质上多步六电子过程，首先是 HMFOR，需要能够高效协调顺序醇和醛氧化的催化剂 (Lu 等，2023; Tong 等，2025; Yang 等，2024)。大量的努力致力于提高催化活性和选择性，强调的只是操作性能 (Li 等，2021; Yang 等，2022; Yang and Mu, 2021)，而很少关注催化剂本身的环境足迹。这种忽视凸显了一个关键悖论：PEF 在材料层面的可持续性效益 (Eerhart 等，2012a; Stegmann 等，2023) 可能会被嵌入在高纯度金属盐生产中的气候和资源负担显著抵消，而这些金属盐通常用作催化剂合成的前驱体。

通常，传统的催化剂供应链涵盖从矿石开采到精制金属盐。它涉及开采、选矿、熔炼、纯化和溶解，每个阶段都会产生巨大的能量需求和排放 (Bartzas and Komnitsas, 2024)。因此，催化剂前驱体生产的前期环境成本可能与甚至超过其所催化的电催化反应。这揭示了当前可持续化学策略中的一个根本脱节，即生物可再生途径的进步仍然依赖于源自环境密集型生产路线的催化剂。

为解决这些问题，我们注意到越来越多的努力被投入到直接将天然矿物、工业残渣和冶金副产品作为催化剂前驱体进行利用。这样做的目的是最小化材料成本并减轻环境负担 (Guo 等，2025; Konkena 等，2016; Xie 等，2025)。这些新兴的“矿物到催化剂”策略证明了将复杂的矿物资源转化为高级催化材料的可行原料的可行性。然而，现有研究主要关注催化剂合成和催化性能。前驱体层面的环境效益转化为整体催化过程及其下游产品生命周期影响的净减少仍然较少被探索。

为了弥合这一差距，需要从以性能为中心的催化剂设计转变为调和催化效率与前驱体可持续性的整体框架 (Zhang 等，2020)。不应将催化剂合成和可持续性评估视为两个独立的研究领域，而是需要一个更综合的框架来评估前驱体选择如何影响整个化学生产链的环境足迹。

在此，我们通过开发一种钪掺杂镍金属有机框架 (NiSc-MOF) 来展示这一概念。该材料以协同方式集成了有针对性的活性位点工程与矿物衍生前驱体途径。Ni 和 Sc 位点之间的电子协同促进了 HMF 电化学氧化中的顺序氧化步骤，实现了完全转化以及在相对于可逆氢电极 (RHE) 1.44 V 下 97.4% 的 FDCA 产率。将这种机理见解转化为可扩展的制造策略，我们通过将红土镍矿转化为活性 NiSc-MOF，建立了一种可扩展的矿物到催化剂合成，从而避免了商业高纯度盐类。除了催化剂开发之外，我们整合了机理研究、技术经济分析和生命周期评估，以量化矿物衍生催化剂前驱体如何影响 FDCA 和 PEF 生产的环境性能。这种综合方法提供了稳定的长期性能，同时将 FDCA 合成对气候的影响和资源耗竭分别减少了约 14% 和 24%。将分析扩展到整个 PEF 生命周期显示，与 PET 相比，温室气体排放减少了 33%，化石资源消耗减少了 49%。通过将矿物到催化剂设计的概念从催化剂制备扩展到系统级可持续性评估，这项工作提供了一个将催化剂创新与资源高效和低碳化学制造相结合的框架。

章节摘要

材料

所有溶剂和化学品均按购买状态使用，未经进一步纯化。化学品：盐酸 (HCl, 37–38%; 北京伊利)，氢氧化钾 (KOH, Sigma-Aldrich)，硝酸镍六水合物 (Ni(NO₃)₂·6H₂O, ≥99.99%, 上海阿拉丁)，硝酸钪水合物 (Sc(NO₃)₃·xH₂O, ≥99.99%, 上海阿拉丁)，对苯二甲酸 (C₈H₆O₄, ≥99%, 上海阿拉丁)，N,N-二甲基甲酰胺 (C₃H₇NO, ≥99.5%; 北京伊利)，镍泡沫 (Ni-4753.016)，乙醇 (无水，≥99.8%; Macklin)，丙酮

过程级环境分析确定催化剂生产为关键热点

开发真正低碳的 FDCA 途径不仅需要优化电化学反应本身，还需要清楚地了解环境负担如何分布在合成链中 (Stegmann 等，2023; Zhang 等，2025)。为了 pinpoint 转化过程中最有效的干预点，我们进行了专注于 HMF 到 FDCA 转化单元的过程级生命周期评估（不包括上游 HMF 生产）。该系统

结论

总之，本研究提出了一种集成的“矿物到催化剂”策略，直接将红土矿升级循环为生产生物塑料前体的高效电催化剂。我们解决了可持续化学中一个关键且常被隐藏的环境负担：传统催化剂前驱体（高纯度金属盐）制造的高能量和排放成本。通过绕过对高纯度金属盐的需求，我们的方法明显降低了上游气候和

CRediT 作者贡献声明

侯志言: 写作 - 初稿，调查，数据整理。党佳琦: 调查，数据整理。吴雨丰: 资源，项目管理，资金获取。余佳美: 写作 - 初稿，形式分析，数据整理。王昌龙: 写作 - 审查与编辑，写作 - 初稿，可视化，验证，监督，软件，资源，项目管理，方法论，调查，资金获取，形式分析，数据整理，概念化。

竞争利益声明

作者声明无利益冲突。

致谢

感谢 国家自然科学基金（52425004）、国家重点研发计划（2021YFC2902505）以及 北京工业大学（C.W.）的启动资金和城市碳中和技术创新资金的支持。

侯志言 | 党佳琦 | 吴雨丰 | 余佳美 | 王昌龙

材料低碳循环利用国家重点实验室，北京工业大学材料科学与工程学院，中国北京，100124