《Adv. Funct. Mater.》 塑料废弃物光热转化催化剂的研究进展

Dongpo He,⁺ Guangbing Huang,⁺ Ziyao Zhou,⁺ Qinyuan Hu, Jinyu Ding, Jiacong Wu, Mengqian Li, Xiaowen Ruan,* Xingchen Jiao,* Yi Xie*

塑料因其成本低、耐用性长、化学用途广泛，已成为现代社会和人类生活中不可或缺的重要组成部分。因此，自从塑料流行以来，人类已经积累了大量的塑料废物。令人担忧的是，塑料废物在自然环境中能存在几百到几千年，其中一些会作为微塑料进入海洋，对环境和人类健康构成重大风险。对于废塑料的回收，机械回收作为目前占主导地位的回收方法，主要涉及熔融和再挤出过程，通常受到塑料类型的限制，面临着功能性差和潜在健康风险的问题。因此，化学回收作为传统机械回收的补充方法，正受到越来越多的关注。化学回收旨在将塑料解聚成单体，并进一步制造出具有原始材料特性的相同塑料（闭环回收），或将塑料转化为高价值化学品、高性能燃料等增值产品（开环回收）。

热催化是一种广泛使用的化学回收技术，研究表明聚合物的解聚与其上限温度（Tc）密切相关，通过热解引发打破解聚平衡通常需要远高于Tc的温度才能实现化学回收。目前市场上大多数商用塑料的Tc都在300℃以上，因此热催化仍然面临着高能耗的主要缺点。光为使用光催化剂的塑料化学回收提供了独特的选择性和反应性。然而，塑料的光催化转换一直受到低转换效率的限制，达不到实际应用的基准，并经常导致过量的二氧化碳副产物。为了应对这一挑战，光热催化作为一种协同利用热能和光能并结合光催化和热解优势的技术，已经成为一种新的范式。光热催化是一种由光子和声子相互作用激发的过程，其中通过声子传递的热能可以从外部提供或由光子转换产生，通过提高温度有效地降低反应势垒。这种创新方法显示出几个优点：（i）与热催化相比，反应条件更温和，（ii）反应速率和选择性更高，（iii）活性相稳定性的提高最大限度地减少了烧结。

在此背景下，本文对近年来塑料废弃物光热转化的研究进展进行了全面综述。首先，根据光热转化机理，将塑料升级再利用的光热催化剂分为金属材料、半导体材料和碳材料三大类。重点介绍了它们作为强大光热转换器的潜在机制以及塑料光热转换的未来方向。此外，总结了光热催化材料在塑料转化过程中的合理结构设计，以提高塑料转化中的光热性能。最后讨论了这一前景广阔但刚刚起步的领域未来的机遇和挑战，并提出了塑料光热转化的未来研究方向。

示意图1 塑料光热催化材料的设计。