博文

ICM 综述| 陆顺研究员 & 华青松教授团队：从PET到甲酸/乙醇酸：由EGOR驱动的废塑增值反应

已有 341 次阅读 2026-5-13 15:21 |个人分类:ICM文章|系统分类:论文交流

ICM—以应用为导向的高水平创新研究

文章导读

聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）因其优异的力学性能、透明性和化学稳定性被广泛用于包装、纤维和消费品。然而，PET的高结晶度、疏水芳香骨架和稳定酯键使其难以自然降解，长期积累后会带来微塑料污染和资源浪费问题。传统机械回收、热化学裂解和溶剂化学回收虽然已取得一定进展，但仍面临降级利用、能耗高、产物复杂或条件苛刻等限制。因此，如何将PET废弃物从“处理对象”转化为“碳资源”，成为塑料循环利用领域的重要问题。

电化学PET升级为这一问题提供了新的思路。PET可先水解为乙二醇（EG）和对苯二甲酸盐，随后通过乙二醇氧化反应（EGOR）将EG转化为甲酸/甲酸盐或乙醇酸/乙醇酸盐等高附加值化学品。与传统析氧反应（OER）相比，EGOR具有更低的热力学电位，有望降低整体电解电压并提升能效。中国科学院重庆绿色智能技术研究院陆顺研究员和北京师范大学华青松教授等的综述文章围绕PET衍生EGOR的C₁路径和C₂路径、催化剂设计、耦合电解体系以及反应机制解析进行系统总结，重点讨论催化剂组成、外加电位和电解质环境如何共同调控产物选择性。

本文进一步指出，将阳极EGOR与阴极析氢反应、二电子氧还原制H₂O₂、CO₂还原反应和硝酸盐还原反应相耦合，可以在降低能耗的同时实现双电极增值产物共生产。结合Raman、IR、EPR、XPS、XAS等原位/准原位表征和密度泛函理论计算，本文从活性位点演化、中间体稳定和反应深度控制等角度，提出面向高选择性、低能耗和可规模化PET电化学升级的设计框架。

图文摘要：EGOR反应路径、催化剂类别、耦合阴极反应及关键机理路径

上述成果发表在Industrial Chemistry & Materials，题为：Electrochemical upcycling of polyethylene terephthalate: catalyst design, reaction mechanisms, and integrated paired electrolysis。欢迎扫描下方二维码或者点击下方链接免费阅读、下载！

扫二维码｜查看原文

https://doi.org/10.1039/D6IM00018E

本文亮点

★ 系统梳理PET衍生EGOR的C₁深度氧化路径和C₂部分氧化路径，并总结催化剂组成、外加电位和电解质条件对产物选择性的影响；

★ 从贵金属、过渡金属化合物、MOFs、有机催化剂和杂化催化剂等角度，归纳EGOR催化剂的结构设计原则与性能差异；

★ 重点介绍EGOR与HER、2e^- ORR、CO₂RR或NO₃^-RR的耦合电解策略，展示废塑料升级与能源/化学品共生产的系统优势；

★ 结合原位谱学和理论计算，讨论活性相重构、中间体吸附、羟基覆盖和反应能垒等机制因素，为理性催化剂设计提供指导。

图文解读

1. 从PET废弃物到电化学增值

PET废弃物的环境压力不仅来自其巨大使用量，也来自其难以自然降解和易形成微塑料的特性。传统回收方式往往更偏向减量化或降级再利用，难以同时满足高选择性、低能耗和高价值转化。电化学方法的优势在于可在温和条件下通过电能驱动反应，并利用电极电位精准调控反应深度。PET水解后释放的EG可被电化学氧化降解，在阳极被选择性氧化为可利用的小分子化学品，从而实现从废塑料到有用资源的转变。

2. EGOR的两条关键路线：C₁与C₂

EGOR的核心科学问题是如何控制C-C键是否断裂。沿C₁路径，EG经历深度氧化和C-C键断裂，主要生成甲酸或甲酸盐；该路径通常需要更强氧化能力，常与高价NiOOH/CoOOH等活性物种以及较高电位相关。沿C₂路径，EG主要发生α-C-H活化和部分氧化，生成乙醇酸或乙醇酸盐，同时保留C-C骨架。由于C₂产物具有更高碳保留率和潜在产品价值，如何在高电流密度下抑制过氧化和C-C断裂，是当前EGOR选择性调控的重要方向。

图1.png

图1. PET水解生成EG示意图和EGOR的C₁/C₂路径

3. 催化剂设计：从活性提升到选择性控制

EGOR催化剂可大致分为贵金属催化剂、过渡金属基催化剂、MOF催化剂、有机催化剂和杂化催化剂。Pt、Pd、Au等贵金属具有清晰的表面结构和优异的本征活性，是理解吸附和反应路径的重要模型体系；多金属合金可通过d带调控、界面电荷转移和应变效应改善中间体吸附。Ni、Co、Fe等过渡金属化合物则更适合规模化应用，其中LDH、氧化物、硫化物、硒化物、磷化物和氮化物常在阳极条件下重构为MOOH活性层。前驱体结构决定导电性、重构速率、界面稳定性和高价活性物种形成能力，因此即使最终活性相相似，不同催化剂体系仍会表现出明显差异。

图2.png

图2. EGOR催化剂分类：贵金属、过渡金属化合物、MOFs、有机催化剂和杂化界面

4. 耦合电解：让两个电极同时“产值”

单独的阳极EGOR可实现PET衍生EG的升级，但若进一步与适合的阴极反应耦合，则可显著提升整体系统价值。EGOR||HER体系可以在较低电压下同步产生H₂和阳极氧化产物，是目前最成熟、最接近实际应用的路线；EGOR||2e^- ORR可联产H₂O₂，适用于分布式过氧化氢制备；EGOR||CO₂RR和EGOR||NO₃^-RR则面向含氮废水处理。然而，耦合电解不应只追求低电压，还应关注单位产物能耗、单程转化率、产物交叉、膜稳定性和下游分离成本。

图3.png

图3. EGOR耦合阴极反应策略：HER、2e^- ORR、CO₂RR和NO₃^-RR可实现不同价值产物的协同生成

5. 机制解析：把“能用”推进到“可设计”

为了从经验筛选走向理性设计，EGOR研究需要将原位表征与理论计算结合。Raman和IR可追踪表面物种与关键中间体；EPR有助于识别自由基或氧化活性物种；XPS和XAS可揭示金属价态变化、配位环境和活性相演化。DFT计算则可进一步比较EG吸附、羟基吸附、中间体稳定、C−C断裂能垒和C₂保留路径的自由能变化。通过这些信息，可以建立从催化剂结构到产物选择性的机制关联，为后续筛选高选择性催化剂提供描述符。

图4.png

图4. EGOR机制解析工具：原位/准原位谱学揭示活性位点演化和反应路径

总结与展望

总体来看，电化学PET升级转化正在从单一塑料处理技术发展为兼具污染治理、资源回收和能源转化功能的综合平台。本文以PET衍生EGOR为主线，系统讨论C₁/C₂反应路径、催化剂设计、耦合电解体系和机制解析方法，强调从材料性能到系统能效的整体评价。未来若要推动该方向走向实际应用，仍需重点解决以下问题。

1. 工业电流密度下的选择性控制。目前许多体系在高电流密度或较高电位下容易发生过度氧化，使产物从C₂向C₁甚至CO₂方向转移。未来需要在高通量传质、稳定电位窗口和可控表面氧化能力之间建立平衡。

2. 真实PET水解液中的杂质耐受与长期稳定性。实际废料PET可能含有添加剂、染料、盐分和共聚组分，这些物质会影响电极稳定性和产物分析。催化剂设计应从洁净模型底物扩展到真实废物流。

3. 耦合电解的系统级评价。低电压并不必然等于低能耗。未来研究应报告单位产物能耗、碳/氮质量平衡、单程转化率、法拉第效率真实性、产物交叉和分离成本，避免仅以极化曲线评价系统优势。

4. 机制表征与理论预测的深度耦合。原位Raman、IR、EPR、XPS、XAS等技术需要与DFT计算形成闭环，以明确真正活性相、关键吸附构型、速率决定步和C−C断裂/保留的选择性来源。

5. 标准化测试与产物分离。不同研究在电解质浓度、底物浓度、温度、电位换算、产物定量和稳定性测试方面差异较大，限制了横向比较。建立统一测试协议并重视下游分离，是实现规模化转化的关键。

因此，未来的PET电化学升级研究需要从“高活性催化剂”进一步走向“高选择性、高稳定性、低分离成本和低能耗”的系统设计。只有将催化材料、反应机制、膜/电解槽工程和产物回收同时纳入考量，电化学PET升级转化才有可能真正从实验示范迈向可持续塑料循环利用。

撰稿：原文作者

排版：ICM编辑部

文章信息

X. Zhu, L. Hu, X. Zheng, Q. Wang, J. Li, D. Liu, W. Lei, Y. Zeng, Q. Hua and S. Lu, Electrochemical upcycling of polyethylene terephthalate: Catalyst design, reaction mechanisms, and integrated paired electrolysis, Ind. Chem. Mater., 2026, DOI: 10.1039/D6IM00018E.

作者简介

陆顺.png

通讯作者

陆顺，中国科学院重庆绿色智能技术研究院的副研究员，于2021年获得美国南达科他州立大学农业生物系统与机械工程博士学位。研究方向包括镍基催化剂的结构-活性关系及其在环境和能源科学领域的应用。他曾连续入选斯坦福-爱思唯尔全球顶尖2%科学家名单（2024-2025年），并荣获美国化学会Energy & Fuel Rising Star奖励（2025年）。

华青松.png

通讯作者

华青松，北京师范大学的京师特聘二级教授，于2006年获得德国克劳斯塔尔工业大学机械工程博士学位，2012年入选国家级人才计划。研究方向为能源材料设计与原子级制造、能源系统集成与智能控制。主持国家科技重大专项、国家重点研发计划项目等国家级项目6项，获山东省科技进步一等奖等省部级奖项4项，科研成果入选“十三五”国家重大科技成就展。

朱希.png

第一作者

朱希，目前是佐治亚大学作物与土壤科学系的博士后研究员，于2023年在中国科学院重庆绿色智能技术研究院获得博士学位。她的研究兴趣主要集中于先进功能纳米材料的制备及其在环境污染物电化学降解、电化学传感和储能器件领域的应用。

ICM相关文章

1. 无酸碱， PET精准解聚为纺织废物回收带来新希望

Depolymerization of PET with ethanol by homogeneous iron catalysts applied for exclusive chemical recycling of cloth waste, https://doi.org/10.1039/D4IM00081A

2. 增强超高分子量聚乙烯可加工性能策略

Strategies for enhancing the processability of UHMWPE, https://doi.org/10.1039/D4IM00104D

3. 煤与废塑料变身高性能碳纤维，实现资源再利用

High-performance carbon fibers fabricated from coal and waste plastics, https://doi.org/10.1039/D5IM00110B

4. 纤维工程的创新进展：从绿色疏水的设计到多功能应用

Progress on fiber engineering for fabric innovation in ecological hydrophobic design and multifunctional applications, https://doi.org/10.1039/D4IM00048J

期刊简介

Industrial Chemistry & Materials (ICM) 目前已被ESCI、EI、Scopus、CSCD、美国化学文摘（CA）、DOAJ等数据库检索，首个影响因子11.9，位列Q1区，入选2024年中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊项目，入选中国科技核心期刊。是中国科学院主管，中国科学院过程工程研究所主办，英国皇家化学会（RSC）全球出版发行的Open Access英文期刊，由张锁江院士担任主编。ICM 以化学、化工、材料为学科基础，以交叉为特色，以应用为导向，重点关注工业过程中化学问题、高端材料创制中过程科学的国际前沿和重大技术突破，目前对读者作者双向免费。欢迎广大科研工作者积极投稿、阅读和分享！