近日，中国科学院化学所韩布兴、林龙飞与华东师范大学吴海虹研究团队开发了一种负载于CdS–TiO₂异质结上的铂单原子催化剂（Pt SAs–CTA），实现了在温和条件下将废弃聚乳酸（PLA）高效一锅法转化为高附加值化学品丙氨酸。该过程整合了解聚、氧化、氨化和还原等多步反应，在可见光照射下丙氨酸产率高达12.1 mmol·g_cat⁻¹·h⁻¹。此外，催化剂在模拟太阳光照射下对商业级PLA的转化也表现出优异的性能。这项工作阐明了异质结光催化中铂单原子的原子级电荷动力学，并为将塑料废弃物升级转化为高附加值化学品提供了可行的策略。

 

论文DOI：10.1021/jacs.5c15434

 

 

在温和条件下应用太阳能光催化为缓解塑料污染提供了一种很有前景的方法。在本研究中，合成了负载于CdS–TiO2异质结（CTA）上的铂单原子催化剂（Pt SAs），以实现聚乳酸（PLA）通过集成的解聚、氧化、氨化和还原反应高效地一步转化为高价值化学品丙氨酸。Pt SAs-CTA催化剂实现了12.1 mmol·g_cat⁻¹·h⁻¹的丙氨酸生产率。结构和光学表征以及理论计算表明，双通道电子转移机制（TCETM）协同促进了电荷分离和传输，同时抑制了电子-空穴复合，从而增强了光催化剂的氧化还原能力。此外，Pt SAs-CTA在模拟太阳光照射下对商业级PLA的转化也表现出优异的性能。这项工作阐明了异质结光催化中铂单原子的原子级电荷动力学，并为将塑料废弃物升级转化为高附加值化学品提供了可行的策略。

 

文章内容

 

1. 催化剂表征

Figure 1. 催化剂的制备与表征。

 

通过光沉积法在CdS–TiO₂异质结上构建原子级分散的Pt位点，形成Pt–S配位结构，有效调控电子态并促进电荷分离。

 

2. 光催化测试

 

Figure 2. 催化剂的光催化性能。

 

Pt SAs–CTA在可见光下丙氨酸产率显著高于单一CdS或CTA；0.1 wt% Pt负载量下性能最优，且循环五次后活性保持83%以上。

 

3. Pt SAs增强催化活性的研究

 

Figure 3. 催化剂的光学、电子和表面电位表征。

 

提出双通道电子转移机制（TCETM），即电子从CdS同时流向TiO₂和Pt单原子，显著抑制电子-空穴复合，提升氧化还原能力。

 

4. 反应机理

Figure 4. 聚乳酸光催化转化丙氨酸的反应机理。

 

PLA在氨水中解聚为乳酸，经光生空穴氧化为丙酮酸，再氨化还原为丙氨酸；Pt单原子主要促进后续氨化-还原步骤。

 

5. 商用聚乳酸塑料的解聚及室外太阳模拟

Figure 5. Pt SAs-CTA催化剂在PLA升级回收中的实际应用。

 

使用真实PLA废弃物及自然阳光均可实现丙氨酸生产，验证了该策略在实际环境中的可行性。