中國科學技術大學謝毅院士團隊Angew，秒級焦(jiāo)耳熱輔助重(zhòng)整(zhěng)
PET廢料(liào)
，近100%碳資源高值化(huà)。



DOI:10.1002/anie.1688371

本文(wén)使用(yòng)的焦(jiāo)耳加熱(rè)裝置(zhì)由合肥原位科技有限公司研發，感(gǎn)謝老師(shī)
支持和認可！



焦耳加熱裝置

焦耳加熱裝置是一種新(xīn)型快速熱處理/合(hé)成的(dí)設備
，該設(shè)備可使材料在極短（毫秒級/秒級）時間內達到(dào)
J高的溫度（1000~3000℃）🥹

，升溫速率(shuài)最快可達到10000k/s；通過對材(cái)料的(dí)極速升(shēng)溫
，可考(kǎo)察材料在J端環境，劇烈熱震情況下(xià)的物性改(gǎi)變🛋，可(kě)
通過極(jí)
速升降溫製備納米尺度顆粒，單原子催(cuī)
化劑
，高(gāo)熵合金(jīn)等。目前廣泛(fàn)
應用在(zài)電池(chí)材(cái)料，催(cuī)化劑
，碳材料，陶瓷材料，金屬材料，塑料降解，生物質等領域(yù)
🤑。



全文速覽

聚對苯二(èr)甲(jiǎ)酸(suān)乙二(èr)醇酯(zhǐ)（PET）的(dí)回收長期麵臨產品價值低，處理(lǐ)規模小
，反應時(shí)間長，碳轉化(huà)
不完整等挑戰(zhàn)
。本研究開發了(liǎo)一(yī)種(zhǒng)大規(guī)模，超快焦耳熱輔助重整策(cè)略🥨，將10 g PET廢料與金屬(shǔ)氧化物（ZnO，Cu₂O🕟，FeO）的簡單物理混合物在數秒內實現近100%碳(tàn)資(zī)
源高值化。超(chāo)過30%的碳轉化為單金屬(shǔ)原子氧化(huà)物簇負載的還原氧化(huà)石(shí)墨烯（M₁Oₓ/rGO）納米片
，其餘碳轉化為高價值合成氣(qì)（CO/H₂）和芳香族(zú)化合物（苯(běn)
等）🛿。以ZnO+PET體係為例🛕
，60秒內得到(dào)Zn₁O₄/rGO納米片，同時產出88.91 mmol CO
，41.85 mmol H₂和22.84 mmol苯🎸。準原位FTIR🕙
，GC/MS和分(fēn)
子動力(lì)學(xué)模擬揭(jiē)
示了(liǎo)“碎片-成(chéng)
環"機理。所得的Zn₁O₄/rGO納米片在工業級(jí)電流密度400 mA·cm⁻²下展現出優異的CO₂電還原製合成(chéng)氣性能
。該工作為廢(fèi)塑料的(dí)快(kuài)速，全組分高值化利用(yòng)建立了新範式
。

背景介紹

PET是全球產量最(zuì)大的聚酯，年產量近7000萬(wàn)噸，不當(dāng)處置造成嚴重的環境問題和資源浪費(fèi)。每年因低效塑料廢(fèi)物管(guǎn)理(lǐ)損失的碳(tàn)資源價值高達1760億美元。現有PET回(huí)收技術主要存在以下瓶頸(jǐng)：產物價值(zhí)低（多為(wéi)低檔燃料或單體），處理規模小(xiǎo)（通常<1 g），反應時間長（數十分(fēn)鐘至數小時）
，碳轉化不(bù)wan全(quán)
（固體(tǐ)殘渣未有效利用）。

近年來(lái)
，焦耳熱(rè)，閃速加熱等電熱技術(shù)被用(yòng)於塑料轉化，但仍依(yī)
賴導電添加劑，處理量有限
，且固體殘渣往往(wǎng)被忽略(lüè)。金屬氧化物（如ZnO，Cu₂O，FeO）可提供催化(huà)活性和傳(chuán)熱(rè)路徑，但傳統與PET混合熱解需數小時，且產(chǎn)物復雜(zá)🙋。本研究提出一(yī)種無需導電添加劑🤷
，輻射加熱，秒級完成的超快焦耳輔助重整係統
，實現了PET與金屬氧(yǎng)化物混合物的近100%碳轉化，同(tóng)時獲得氣體，液體和固體三大(dà)類高值產(chǎn)品。

本文(wén)亮點

（1）近100%碳資源高值化
：10 g PET與金屬氧(yǎng)化物物理混合🧝

，秒(miǎo)級(jí)反應後碳平(píng)衡計算顯示近全部碳轉化為合成氣(qì)
，芳(fāng)烴和M₁Oₓ/rGO納米片（以(yǐ)ZnO+PET為例，固體碳保留43.87%，液(yè)體30.21%，氣體20.84%）

。

（2）創紀錄的時空效(xiào)率：單批次(cì)處理量高達155 cm³，加熱速率46 K/s
，1273 K下僅需60 s，比傳統管式爐快兩個(gè)數量級以上😉；無需任何導電添加劑。

（3）產品可調(tiáo)性與高價值：合(hé)
成(chéng)氣CO/H₂比在2.12–13.75寬範圍可調；液(yè)體(tǐ)產品以苯(běn)為主（ZnO+PET中苯占82.55 mol%）
；固體為原子(zǐ)級分散的M₁Oₓ/rGO納米片（Zn為四配位，Cu三配(pèi)位🖕，Fe五配位）。

（4）固體產物的高值應用：Zn₁O₄/rGO在(zài)CO₂電還原中穩定生產合成氣(qì)，工業電流密度400 mA·cm⁻²下運行24 h無(wú)衰減。

圖文(wén)解(jiě)析



圖1：焦耳熱輔助重整(zhěng)的產(chǎn)物分析

圖1 通(tōng)過超快焦耳輔助重整從金屬氧化物（ZnO，Cu₂O和FeO）與PET廢料的簡單物理混合物中(zhōng)獲得的合(hé)成氣和芳烴產物
；(A) 合成氣(qì)
產(chǎn)率；(B) 芳烴產率；(C) 碳平衡計算(suàn)🍾；誤差棒(bàng)為三次獨立測量的標準偏差；(D) 本(běn)工作金屬氧化物(wù)+PET體係與(yǔ)
已報道塑料(liào)超(chāo)快熱重整在單(dān)次處理質量(liáng)，加(jiā)熱時間和(hé)
操作溫(wēn)度方麵的(dí)對(duì)比。

圖1A顯(xiǎn)示不(bù)同(tóng)金屬(shǔ)氧化物導致合成氣產量(liáng)和CO/H₂比顯(xiǎn)著不同（ZnO體係CO 88.91 mmol，H₂ 41.85 mmol）。圖1B中ZnO體係苯產量最高（22.84 mmol），Cu₂O體係(xì)同(tóng)
時產生苯和苯甲酸，FeO體係產生甲醇和苯
。圖1C碳平衡表明近100%碳(tàn)
被有效分配至氣
，液🗙，固(gù)三相。圖1D對比顯示本工作在單次處理量（10 g）🦨，加(jiā)熱時間（秒級）和(hé)溫度（1273 K）上均具有明顯優勢(shì)。



圖2
🗷：M₁Oₓ/rGO納米片的(dí)結構表征(zhēng)

圖2 通過(guò)超快焦耳輔助(zhù)重整(zhěng)從金屬氧化物（ZnO🍝，Cu₂O和FeO）與PET廢料的簡單物理混合物中(zhōng)製備的M₁Oₓ/rGO納米片
。(A) Zn₁O₄/rGO

，(B) Cu₁O₃/rGO和(C) Fe₁O₅/rGO的AC HAADF-STEM圖像。對應的k³加權FT-EXAFS譜圖：(D) Zn₁O₄/rGO，(E) Cu₁O₃/rGO，(F) Fe₁O₅/rGO
，並與其(qí)對應的金屬氧化物和(hé)
金屬箔作對比(bǐ)🔱。(G) Zn₁O₄/rGO，(H) Cu₁O₃/rGO，(I) Fe₁O₅/rGO的(dí)
WT-EXAFS譜(pǔ)圖，並與標準參考樣品對比（金屬箔和氧化物數據來自(zì)SSRF數據庫）。

AC HAADF-STEM（圖2A-C）顯示(shì)大量亮點（單原子(zǐ)或小簇）均匀錨(máo)定在(zài)rGO納米片上，無金屬團聚。FT-EXAFS（圖2D-F）中僅出現金屬(shǔ)-氧配位(wèi)峰（~1.9 Å），無金屬-金(jīn)
屬鍵峰，證實原子級分散(sàn)

。WT-EXAFS（圖2G-I）進一步區分了配(pèi)
位環(huán)境
。擬(nǐ)合表(biǎo)明(míng)Zn為(wéi)四配位(wèi)（Zn-O₄），Cu為三配位，Fe為五配位。

圖3
：PET重整機理研究

圖3 PET重整(zhěng)機理🕸；(A) 不同反(fǎn)應時間(jiān)捕獲的(dí)氣體產物的(dí)準原位FTIR譜圖（ZnO+PET）；(B) 純PET與ZnO+PET混合(hé)物的準原位GC/MS分析；一係列模擬空間(jiān)放大圖：(C) 0 ps時的PET圍繞ZnO；(D) 約0.62 ps時的CO
🛯；(E) 約0.82 ps時的苯基自由(yóu)基；(F) 約30.80 ps時的多環(huán)結構
。白🧿
，黑，紅(hóng)

，紫球分別代(dài)表H，C
，O，Zn原子(zǐ)。

準原位FTIR（圖3A）顯示10 s即(jí)出現CO，烴類和乙烯信號，60 s時CO增強，烴類減弱，表明快速脫(tuō)氧和芳構化(huà)；準原(yuán)位(wèi)GC/MS（圖3B）表明純PET熱解主(zhǔ)產物(wù)
為(wéi)苯甲酸，而ZnO+PET中苯占77.1%，證(zhèng)明ZnO促進脫羧；AIMD模擬（圖3C-F）展示了初始(shǐ)碎片化：PET先分解產生CO（0.62 ps）和苯(běn)基自由(yóu)
基（0.82 ps）🕦，隨後通過成環反應形成多環結構（30.80 ps）🃬，最終(zhōng)
演化為(wéi)
Zn₁O₄/rGO。



圖4：Zn₁O₄/rGO的CO₂電還原性能(néng)

圖4 (A) Zn₁O₄/rGO納米(mǐ)
片在流動池中不同(tóng)
電流密度下的產物分(fēn)
布。誤差棒為三次獨立測量的標準偏差。(B) Zn₁O₄/rGO納(nà)米片在CO₂飽(bǎo)和0.1 M KHCO₃中
，-1.0 V vs. RHE下的時間分辨原位FTIR譜圖(tú)🕊。(C) Zn₁O₄/rGO納米(mǐ)
片(piàn)薄層的電荷密度差
。黃色和藍色等值(zhí)
麵分別(bié)代表電(diàn)子密度富集和缺(quē)失💉。棕色(sè)，紅(hóng)色和灰色球分別代表C，O，Zn原子。(D) Zn₁O₄/rGO納米片薄層上吸(xī)
附H和CO中(zhōng)間體的(dí)COHP計算
🕨。

圖4A顯示(shì)
Zn₁O₄/rGO在200–1000 mA·cm⁻²寬電流密度範圍內產物僅為CO和(hé)H₂（合(hé)成氣），且(qiě)CO選擇性隨電流增加(jiā)而降低。圖4B原位FTIR檢測到COOH中間體（1256，1378，1543 cm⁻¹）和水的彎曲振(zhèn)動（~1650 cm⁻¹）🐀，未檢測到CO的多重吸附峰
，表明CO快速脫附。圖4C電荷密(mì)度差(chà)
顯示Zn₁O₄團簇內部電(diàn)子(zǐ)富集
，增強與吸附(fù)物的相互(hù)作用。圖(tú)4D COHP分析表(biǎo)明H和CO與Zn位(wèi)點形成強鍵(jiàn)合，但CO易於(yú)脫附
。

總結與展望

本(běn)研(yán)
究報道了一種大規模🗷，超(chāo)快焦耳熱輔助重整策(cè)略，僅需數秒即可將PET廢(fèi)料與金屬(shǔ)氧化物的物理混合(hé)物近(jìn)乎wan全轉(zhuǎn)化為三類高值產品(pǐn)：M₁Oₓ/rGO納米(mǐ)片（固體）🛆，合成氣（氣(qì)體）和芳(fāng)烴（液體）。該技術突破了傳統塑料回收中產物價值低，處理量小(xiǎo)，反應時間長
，碳轉化不wan全等(děng)核心瓶頸
。通(tōng)過準原位光譜和理(lǐ)論模擬，揭示了“碎片-成環"機(jī)理，其中金屬氧化物催化了脫羧和芳(fāng)構化路徑。所得的Zn₁O₄/rGO納米(mǐ)
片在CO₂電還原中展現(xiàn)
出(chū)優異的合成氣生產性(xìng)能
，實(shí)現了“廢物(wù)變催化劑"的閉(bì)環。

該工作為(wéi)
廢塑料(liào)的全組分高(gāo)值化提供了新範式，有望推動(dòng)塑料循環經濟和碳(tàn)
中和目標的實現。未來可(kě)
進一步拓展至(zhì)其他(tā)聚合物體(tǐ)係（如聚烯烴，聚氨酯）🎹，以及(jí)優化金屬氧化物種類(lèi)
與比(bǐ)例以(yǐ)
調控產品分布，並探索所得M₁Oₓ/rGO在催化🔷
，能源(yuán)存儲等(děng)領(lǐng)域的更多應用
。