光催化技术在塑料废弃物升级回收中的研究进展

创新点

回顾了光催化技术用于塑料废弃物转化的发展历程，系统性地综述了塑料在非均相和均相下光催化升级回收的最新研究进展，为推动光催化技术在塑料升级回收中的工业化应用提供了见解和参考。通过详细阐述塑料光催化转化（降解和升级回收）的反应机理，特别提出了两种相态下塑料光催化升级回收的不同转化途径，有助于深入理解光催化过程中复杂的化学反应，增强工艺优化的理论基础。此外，论文提出了通过新型光催化剂和反应器设计，光催化与其他更高值的化学反应或学科技术耦合来提升催化性能的建议，有望提高工业化应用的可行性。在机理探究方面，强调借助先进的原位表征、算法分析和机器学习筛选和预测潜光催化剂和反应路径的重要性，为推动光催化技术在塑料升级回收中的发展提供了方向。

通讯作者简介

吕学斌教授

吕学斌，西藏大学生态环境学院教授、院长，国家级高层次人才，博士研究生导师，国家重点研发计划项目首席科学家，主要从事生物质能源、有机固废资源化及环境污染控制等方向的研究。任西藏自治区化学会理事，中国能源学会专家委员会新能源专家组委员，巴塞尔公约亚太区域中心化学品和废物环境管理智库专家，西藏自治区工业绿色发展专家，《工业水处理》期刊编委，天津市可再生能源学会碳中和专委会副主任委员，天津市生物质燃气燃油技术工程中心副主任，天津市科技特派员。发表高水平研究论文100余篇（其中ESI高被引2篇，热点文章1篇，封面文章12篇）；授权专利10余项，其中国际专利1项；参编并出版专著3部；主持国家重点研发计划“固废资源化”专项项目1项，重点研发计划项目课题1项、子课题2项，国家科技支撑计划子课题2项，国家自然科学基金3项，横向项目8项。获得天津市科技进步一等奖1项，天津市技术发明一等奖1项，天津市自然科学二等奖1项，西藏自治区科学技术一等奖1项，福建省科学技术二等奖1项，华夏建设科学技术二等奖1项，国家级教学成果二等奖1项，省部级教学成果奖一等奖3项、二等奖1项。

光催化技术在塑料废弃物升级回收中的研究进展

作者

龚正雅^1,2，张明³，于志昊⁴，熊健^1,2，李易明¹，吕学斌^1,2,∗

单位

1. 西藏大学生态环境学院

2. 西藏自治区高原环境工程与污染控制重点实验室

3. 中国能源建设集团安徽省电力设计院

4. 天津大学环境科学与工程学院

基金项目

1. 西藏大学中央支持地方高校财政项目(2023年1号，2024年1号)

2. 2023年西藏自治区科技计划重点研发计划项目(XZ202301ZY0020G)

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摘要

塑料因其成本效益、便携性、耐久性和多功能性而广为人知，是现代社会中不可或缺的一部分。然而，日益增加的塑料废弃物堆积正在引发全球性的污染危机。近年来，塑料升级回收已成为应对这一危机的重要手段，它不仅提供了可持续的解决方案来减轻环境污染，还将塑料废弃物转化为高附加值的产品。光催化技术利用太阳能作为唯一能源驱动塑料升级回收，有望在能量中性的条件下同时实现清洁能源储存、资源可持续性和环境修复。首先简要回顾了光催化技术在塑料转化中的发展历程。其次分析了塑料的光催化降解及在非均相和均相条件下的光催化升级回收机理；从机理角度出发，重点讨论了在两种相态下应用光催化技术升级回收塑料废弃物的最新研究进展。最后，结合催化体系的合理设计和优化、机理探究、塑料升级回收的实际应用及光催化技术的耦合等方面，探讨了塑料光催化升级回收面临的挑战和机遇。期望为推动光催化技术在塑料升级回收的工业化应用，开发更绿色、经济和可持续的塑料升级回收技术提供一定的见解和参考。

研究背景

塑料源自希腊语“plastikos”，泛指适合成型并易于加工成不同形状的多种聚合物材料，包括聚乙烯（PE）、聚苯乙烯（PS）、聚丙烯（PP）、聚乳酸（PLA）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚氯乙烯（PVC）和聚氨酯（PUR）等。塑料因其成本效益、便携性、耐久性和多功能性等优点已成为全球范围内的主要商品，被广泛应用于包装、建筑、运输和电子等各种领域。全球塑料产量在2022年达到了4.0亿公吨，预计未来20年产量还将翻一番。截至目前，全球已累计生产了约92亿公吨塑料。这些塑料中约有40%用于短期使用，大多数（>91%）未回收。绝大部分塑料废物因管理不善，最终进入河流和海洋。化石燃料衍生的塑料经自发降解回归自然循环可能需要几个世纪，其在自然环境中的持续堆积引发了近乎永久性的环境污染。此外，塑料会不断降解成微米级或纳米级塑料，存在于海洋、大气，甚至饮用水中，并通过食物链转移污染至海洋生物、农作物和动物，威胁人类健康。据估计，在没有任何有效治理的情况下，2030年全球塑料废弃物的数量将达到约4.2亿公吨。理想情况下，回收利用全球所有的塑料废弃物，每年可节省近35亿桶石油的潜在能源。因此，探索绿色高效和可持续的塑料废弃物回收技术，对于缓解环境污染，实现碳循环经济目标至关重要。

目前，塑料废弃物处理技术主要有填埋、焚烧、机械回收和化学回收，如图1所示。塑料废弃物中约79%堆积在填埋场，12%被焚烧。这些传统技术尽管具有操作简单、低成本、便于处理混合废物和转化为电力等优点，但易造成土壤、地下水污染和释放有毒气体等严重的环境问题，几乎不产生附加值。机械回收通过洗涤、研磨、挤压、复合和造粒等过程对塑料进行物理重塑以便连续使用，无需在分子水平解构塑料。然而，在一系列连续步骤中，原生塑料发生断链、支化、氧化等副反应，添加剂也会参与热诱导降解，导致再生塑料的热、物理和机械性能逐渐降低，降级为低价值产品，限制了可能的循环次数。值得关注的是，化学回收可以快速地将大量塑料废物回收为其原始单体、燃料或增值产品，从而实现塑料的闭环或升级利用。化学回收（溶剂解、气化和热解等）能够断裂所有类型塑料中的化学键，生成单体或其他小分子，这是其他回收技术无法达到的。然而，鉴于塑料的化学惰性，目前的化学回收技术往往需要高温、高压或腐蚀性酸、碱等苛刻的反应条件和极高的能量消耗，难以获得满意的产品收率和分布，且产生危险废物，不具有成本和环境效益。

光催化技术不同于需要高能耗和苛刻反应条件的热化学途径，该技术利用清洁、丰富和可持续的太阳光作为唯一能源，在温和条件下（室温和大气压）进行反应，具有独特的化学反应活性，为塑料废物的升级回收提供了新的见解和反应途径。光所提供的空间、时间和能量精度是其他任何外部刺激无法比拟的。根据催化剂与反应物是否处于同一相态，光催化体系分为均相体系和非均相体系。简而言之，均相光催化体系中分子催化剂受可见光激发后可以转化为激发态。分子催化剂电子从最高占据分子轨道激发到最低未占据分子轨道，类似于半导体固体光催化剂中电子从价带（VB）激发到导带（CB）的过程。高能激发态光催化剂与底物相互作用，进行氢原子或电子转移生成活性中间体，进而触发选择性化学反应。非均相光催化则是固体催化剂吸收光子后产生电子和空穴，高能电子和空穴又分别引发还原和氧化反应的过程。均相体系通常以金属配合物和有机小分子为光催化剂，而非均相体系以半导体及其异质结构为光催化剂。均相光催化由于其体系构建简单、结构清晰、催化转化数高、选择性高和性能优异等优点广泛应用于有机合成、CO₂还原和光解水制氢等领域。然而，截至目前，均相催化剂的稳定性和可回收性依然是限制其发展的重要因素。与之对应，非均相光催化剂稳定性好且具有可回收性，适用于连续的化学工业，但受限于界面传质以及半导体催化剂固有的宽带隙和快速地光生载流子复合而表现出较低的催化效率。起初，光催化作为一种低成本和环保的技术，通过不可控的自由基或非自由基途径将塑料废物降解成一系列无毒产物（丁醛、丙酮和CO₂等）。迄今为止，光催化技术已经引起了人们对选择性键断裂和理想官能团保存下精确合成目标产物的浓厚兴趣。塑料废弃物可以被光催化升级回收为燃料、化学品和材料，不仅为实现零塑料环境开辟了一条可持续发展的途径，还能在能量中性的情况下回收有成本竞争力的产品。光催化塑料转化已成为一个新的研究热点。

目前，已有一些综述从催化材料、目标产物类型和反应设计等方面很好地总结了光催化塑料转化的研究进展，但关注光催化塑料升级回收两种相态（非均相和均相）下不同转化途径的总结性研究较少。本文首先简要回顾了光催化塑料转化的历程，分析了塑料光催化降解以及非均相和均相下光催化升级回收的机理，重点讨论了在两种相态下应用光催化技术以不同途径升级回收塑料废弃物的最新研究进展，通过介绍一些代表性的研究为未来高性能光催化体系的设计提供参考。最后，展望了光催化选择性塑料升级回收的研究方向，以期促进实现零塑料废物和碳中和目标。

部分图表

图1 塑料废弃物处理策略^[22]

图2 在光照射下，塑料的光降解、光重整以及塑料向C_n产品（n≤8）光催化转化的可能过程^[3]

图3 在可见光下，均相体系中PS光催化升级回收为苯甲酸的机理^[69]

引文格式

龚正雅, 张明, 于志昊, 熊健, 李易明，吕学斌. 光催化技术在塑料废弃物升级回收中的研究进展[J/OL].能源环境保护: 1-14[2024-08-27].https://doi.org/10.20078/j.eep.20240807.

GONG Zhengya, ZHANG Ming, YU Zhihao, XIONG Jian, LI Yiming, LYU Xuebin. Research progress of photocatalytic technology in upcycling of plastic waste[J/OL]. Energy Environmental Protection: 1-14[2024-08-27].https://doi.org/10.20078/j.eep.20240807.

　　责任编辑：宫在芹

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