导读：
近期，湘潭大学沈志刚教授团队与北京化工大学曹达鹏教授团队合作，通过创新的微流控原位合成策略开发了一种富含氧空位和受阻路易斯酸碱对（FLPs）的均质ZnO-CeO₂双相催化剂。该催化剂在聚酯的解聚中表现出卓越性能，实现了高效率单体回收，并通过生命周期评价和技术经济分析证实了其显著的环保与成本优势。相关研究以“Constructing Frustrated Lewis Pairs on Defect-Engineered Biphasic Catalysts for Polyester Depolymerization”为题目，发表在期刊《Applied Catalysis B: Environment and Energy》上。
本文要点：
1、本研究开发了一种富含氧空位和受阻路易斯对（FLPs）的均相ZnO-CeO₂双相催化剂，用于废旧聚酯塑料的高效解聚。
2、通过微流控原位合成策略，在低温（100℃以下）和常压下一步制备出富氧空位的均相ZnO-CeO₂双相催化剂，优化Zn/Ce比例以最大化催化剂表面的缺陷密度和FLP位点数量。
3、实验表明，仅使用0.8wt%的催化剂（相对于塑料），在常压下20分钟内可实现100%的转化率和95.2%的单体产率，时空产率达472.3 gBHET · gcat−1 · h−1，且具有良好的可循环性，经过5次连续循环后仍保持 >90%的初始活性。该催化剂对多种PET废料（包括包装材料、纺织纤维和工程薄膜）具有广泛适用性。
4、机理研究显示，氧空位促进底物吸附，FLPs协同激活PET羰基和乙二醇亲核试剂，降低亲核攻击的能垒；ZnO-CeO₂中Zn物种优化的带隙和态密度促进电子转移，大幅降低糖酵解反应的能垒。
5、生命周期评估（LCA）和技术经济分析（TEA）表明，该催化体系与传统的对苯二甲酸二甲酯（DMT）生产双（2-羟乙基）对苯二甲酸酯（BHET）相比，温室气体排放量降低73.4%，生产成本降低48.6%，为PET废料管理提供了兼具环境可持续性和经济可行性的新途径。
微流控原位合成策略的原理是什么？
微流控原位合成策略的原理是通过集成的微通道反应器增强微观混合，并结合夹套式中试反应器控制晶体生长，在低温（低于100℃）和常压下一步制备富氧空位的均相ZnO-CeO₂双相催化剂。
具体而言，两种前驱体溶液（含硝酸锌和硝酸铈的水溶液与氢氧化钠沉淀剂溶液）通过具有窄通道的进料管快速注入微通道反应器，在出口处撞击实现瞬时微观混合和成核。生成的悬浮液收集后转移至夹套式反应器，在特定条件下老化，经冷却、过滤、洗涤等步骤得到ZnO-CeO₂纳米颗粒分散液。
该策略通过调控锌铈比例，可最大化催化剂表面的缺陷密度和受阻路易斯对（FLPs）位点，且能精准控制催化剂组成，使制备的双相催化剂中锌铈摩尔比接近目标值。
图 1.（a）所合成催化剂的 X 射线衍射（XRD）图谱及（b）XRD 局部放大图。（c）ZnO、（d）4Zn1Ce、（e）1Zn1Ce、（f）1Zn4Ce 和（g）CeO₂的透射电子显微镜（TEM）及高分辨率透射电子显微镜（HR-TEM）图像。（h）1Zn1Ce 的EDS 映射图像。
图 2. 1Zn1Ce 表面二聚体的吸附模拟：（a）有氧空位和（b）无氧空位。（c）所合成催化剂的三维汉森溶解度参数（HSP）图及汉森溶解度球。蓝色球体代表良溶剂；红色立方体代表不良溶剂。
图 3.（a）NH₃程序升温脱附（NH₃-TPD）图谱及（b）所合成催化剂的酸位点浓度。（c）1Zn1Ce 催化 PET 糖酵解的原位红外（IR）分析（催化剂用量 1 wt%，乙二醇/聚对苯二甲酸乙二醇酯 = 4，150℃，360 分钟）。（d）CO₂程序升温脱附（CO₂-TPD）图谱及（e）所合成催化剂的碱位点浓度。（f）不同催化剂存在下乙二醇的 ¹H 核磁共振（¹H NMR）谱图。（g）分子路易斯碱或路易斯酸对 1Zn1Ce 催化 PET糖酵解活性的影响。（h）ZnO-CeO₂双相催化剂上可能的双重活化机制。
图 4.（a-c）（a）ZnO 体系、（b）CeO₂体系和（c）ZnO-CeO₂体系的 PET 解聚示意图。（d）ZnO-CeO₂的差分电荷密度图，黄色区域代表电子云密度增加，蓝色区域代表电子云密度减少。（e）ZnO 体系、（f）CeO₂体系和（g）ZnO-CeO₂体系的态密度（DOS）图。（h）PET 解离过程中的能垒示意图。不同颜色的线代表相应的体系，数字代表相应的能垒。
图 5.（a）PET 糖酵解的凝胶渗透色谱（GPC）和（b）高效液相色谱（HPLC）分析（催化剂用量 1 wt%，乙二醇/聚对苯二甲酸乙二醇酯 = 4，180℃）。（c）可能的 PET 解聚路径。
图 6.（a）1Zn1Ce 和其他催化剂用于 PET 糖酵解的环境能量影响 ξ、（b）能量经济系数 ε 和（c）环境因子 E。（d）直接冷却结晶或水冷结晶用于 PET 糖酵解的生命周期评估（LCA）环境影响及（e）不同因素对环境影响的贡献。（f）直接冷却和水冷工艺的单位生产成本。（g）直接冷却和（h）水冷工艺的情景分析。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2025.125763
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