環(huán)境學(xué)院王傳義教授團(tuán)隊(duì)在光催化有機(jī)固廢高值化轉(zhuǎn)化領(lǐng)域取得重要進(jìn)展

近期，陜西科技大學(xué)大學(xué)特聘教授王傳義老師團(tuán)隊(duì)在光催化廢棄塑料、廢棄生物質(zhì)的高值化轉(zhuǎn)化方面取得重要進(jìn)展。相關(guān)成果在Applied Catalysis B: Environment and Energy (IF=20.2)期刊發(fā)表。

將塑料廢棄物光重整為增值化學(xué)品并產(chǎn)生氫氣 (H₂) 對(duì)于循環(huán)經(jīng)濟(jì)至關(guān)重要，但其效率受到質(zhì)子還原和塑料氧化之間相互制約的限制?；诠獯呋卣芰线^(guò)程中質(zhì)子的還原與塑料底物的氧化速率相互制約的瓶頸問(wèn)題，我校王傳義教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了具有均一尺寸MoO_x納米顆粒負(fù)載的BiVO₄/MoO_x復(fù)合催化劑，實(shí)現(xiàn)了光催化重整PET過(guò)程中氧化還原反應(yīng)的同時(shí)促進(jìn)。該工作通過(guò)簡(jiǎn)單的水熱合成法，有效地將MoO_x納米顆粒負(fù)載于BiVO₄上。MoO_x納米顆粒不僅能夠通過(guò)價(jià)態(tài)可變的Mo^5+/6+離子促進(jìn)光電子從BiVO₄到MoO_x的轉(zhuǎn)移，并將 H⁺ + e^–→ H* 的自由能從0.39降低到– 0.12 eV，促進(jìn)H₂的產(chǎn)生；MoO_x 納米顆粒中的氧空位還能夠促進(jìn)預(yù)處理PET的吸附與活化，從而增強(qiáng)對(duì)其氧化。該工作實(shí)現(xiàn)了從氧化與還原反應(yīng)共同促進(jìn)的角度提高光PET重整的整體反應(yīng)速率。(原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2024.124326)

催化反應(yīng)機(jī)理

在PET的光重整過(guò)程中，MoO_x的引入會(huì)誘導(dǎo)BiVO₄的光生電子向其遷移，在此過(guò)程中Mo⁶⁺將被還原為Mo⁵⁺，這一過(guò)程促進(jìn)了H自由基的生成，從而促進(jìn)產(chǎn)氫。此外，EG在反應(yīng)過(guò)程中逐步地被轉(zhuǎn)化為乙二醛及乙二酸，最終形成甲酸并穩(wěn)定存在。

木質(zhì)素作為自然界中唯一的可再生芳香族資源，其高效轉(zhuǎn)化一直是生物質(zhì)利用領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，但C_β-O鍵的高穩(wěn)定性制約轉(zhuǎn)化效率?；诖?，我校王傳義教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種S-構(gòu)型異質(zhì)結(jié)的光催化劑（CdS-SH QDs/Bi₂MoO₆），通過(guò)界面Bi-S鍵增強(qiáng)載流子分離，激活單線態(tài)氧(¹O₂)精準(zhǔn)攻擊木質(zhì)素C_β-O鍵，實(shí)現(xiàn)了木質(zhì)素生物質(zhì)的高效轉(zhuǎn)化。以PP-ol（2-苯氧基-1-苯基乙醇）為模型化合物，苯酚/苯乙酮產(chǎn)率達(dá)90%+；通過(guò)在自然環(huán)境下裂解從馬尾松提取的堿木質(zhì)素的，香蘭素產(chǎn)量較單一催化劑提升70倍。該工作為設(shè)計(jì)能夠在實(shí)際環(huán)境中有效解聚木質(zhì)素的光催化劑提供了新的視角。(原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2025.125092)

催化反應(yīng)機(jī)理

如圖所示，S型異質(zhì)結(jié)的構(gòu)建可以保持高氧化還原電位并改善電荷分離，從而實(shí)現(xiàn)高效光催化反應(yīng)。在C_β-O鍵的裂解過(guò)程中，S型的電荷流動(dòng)方式促進(jìn)了¹O₂的生成，誘導(dǎo)C_α?自由基的生成。在此過(guò)程中C_β-O鍵的解離能從69.2 kcal/mol大幅衰減到7.8kcal/mol，這一過(guò)程促進(jìn)了C_β-O的劈裂，從而促進(jìn)高值化轉(zhuǎn)化。此外，為了驗(yàn)證CSSB-30光催化劑對(duì)實(shí)際木質(zhì)素中C_β-O帶的裂解能力，以馬尾松堿木質(zhì)素為底物，堿木質(zhì)素C_β-O裂解的典型產(chǎn)物為香蘭素，獲得了26.6 mg/木質(zhì)素的香蘭素高產(chǎn)率，證明了堿木質(zhì)素中C_β-O鍵的有效裂解。

新聞小貼士：

王傳義教授，歐洲科學(xué)院院士、德國(guó)洪堡學(xué)者、英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)會(huì)士、國(guó)際先進(jìn)材料學(xué)會(huì)會(huì)士，英國(guó)皇家工藝院終身會(huì)士，創(chuàng)建了中國(guó)科學(xué)院創(chuàng)新國(guó)際團(tuán)隊(duì)和中國(guó)科學(xué)院創(chuàng)新交叉團(tuán)隊(duì)、德國(guó)洪堡基金會(huì)聯(lián)合研究小組、陜西省“西北生態(tài)環(huán)境材料與技術(shù)”創(chuàng)新引智基地和西安市“生態(tài)環(huán)境材料與綠色低碳技術(shù)” 國(guó)際聯(lián)合研究中心。長(zhǎng)期從事環(huán)境和能源相關(guān)的納米光催化研究，在Chem. Rev., JACS, Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed.等國(guó)際重要學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表論文400余篇，共被引用25000余次，單篇被引用100次以上的文章有77篇，H-指數(shù)值89 (Google Scholar)。主編/撰寫(xiě)英文專(zhuān)著3部，獲授權(quán)中國(guó)/美國(guó)發(fā)明專(zhuān)利73件。應(yīng)邀擔(dān)任國(guó)際雜志Environmental Chemistry Letters副主編（IF15.7），獲德國(guó)洪堡學(xué)者獎(jiǎng) (1998) 、中國(guó)天山獎(jiǎng) (2014)、中國(guó)科學(xué)院“引進(jìn)海外杰出人才”終期評(píng)估優(yōu)秀獎(jiǎng) (2015)、中國(guó)僑界貢獻(xiàn)獎(jiǎng) (創(chuàng)新人才，2016)、國(guó)際先進(jìn)材料學(xué)會(huì)科學(xué)家獎(jiǎng) (2020)及國(guó)際先進(jìn)材料終身成就獎(jiǎng) (2024)。入選科睿唯安全球高被引學(xué)者 (2023) 、全球前2%頂尖科學(xué)家年度榜單和長(zhǎng)期綜合榜 (2020-2024美國(guó)斯坦福大學(xué)發(fā)布，其中子學(xué)科物理化學(xué)名列第80位)及ScholarGPS全球近5年前0.05%頂尖學(xué)者（包括所有學(xué)科綜合，環(huán)境科學(xué)位列第57名）。

（核稿：王念東 編輯：劉倩）