构建Bi⁰@Bi³⁺-KNbO₃级联电荷传输路径以显著加速废弃塑料光催化转化

随着塑料垃圾问题日益严重，将废塑料高效转化为高价值化学品已成为环保领域的研究焦点。然而，由于聚烯烃塑料大量存在惰性的C-C 和 C-H 键，以及催化剂与聚合物分子链之间的有效界面接触不佳，使得其升级再造成为可持续塑料经济发展中的重大挑战。因此，亟需开发高活性和高稳定性的催化剂从而突破现有瓶颈，以节能且具经济效益的方式将聚丙烯和聚乙烯等废弃聚烯烃转化为高附加值的工业原料。

由于金属纳米颗粒具有表面等离子体共振（SPR）效应和强近红外光吸收能力，常用于光催化剂的结构修饰以增强其催化性能。通过将金属纳米粒子整合到具有优异化学稳定性的KNbO₃ 中作为光电子转移中间体以构建级联电荷转移通道，实现载流子的有效分离。同时，通过将催化剂与塑料共同研磨，构建了O₂-塑料-催化剂的三相体系以增加催化剂有效界面接触面积。在固-固界面处，由于金属离子SPR效应产生的热量能够活化C−C键，使其在光热作用下断裂，形成稳定的中间体并在同一光催化剂上同步还原生成C₁-C₃产物。

近日，四川大学高分子研究所江龙团队和西南科技大学杨龙教授在废弃塑料光热催化转化领域取得了突破性进展，通过Bi⁰/Bi³⁺ 共掺杂KNbO₃成功开发了一种高效的光热催化材料（Bi⁰@Bi³⁺-KNbO₃），将废弃聚丙烯等塑料转化为CO和CH₃COOH。这一研究成果为塑料垃圾的资源化利用提供了全新思路，也为可持续发展目标贡献了一份力量。

图1.Bi⁰@Bi³⁺-KNbO₃ 光热催化剂的合成与结构表征。

作者通过紫外-可见光吸收光谱证明了金属Bi的引入增强材料的光吸收。PL光谱，阻抗谱和飞秒瞬态吸收光谱的结果表明，Bi⁰@Bi³⁺-KNbO₃ 具有长寿命浅电子捕获态以及等离激元诱导共振能量转移过程，抑制光生电子-空穴对的复合和加速了界面电荷转移。

图2. 光吸收和光生电荷分离性能分析及其飞秒瞬态吸收光谱

作者通过改变Bi含量和投料比等反应条件以及用于循环稳定性测试筛选出最优的催化剂和反应物的投料比。结果表明, KBNO-200-1的CO 和CO₂的光转化率分别为209.41和 263.52 μmol g_cat^-1h^-1，约为 KNbO₃ 的 27.55 和 24.09 倍。然后，采用有限元法（FEM）模拟了光照下由于Bi0 纳米粒子的热效应导致局部温度升高，最高温度接近160℃。最后，提出了聚丙烯在Bi⁰@Bi³⁺-KNbO₃ 上光催化转化成C₁-C₃小分子主要过程。

图3. 温和条件下催化剂将塑料高效光转化为高附加值材料。

作者通过原位红外光谱，反应动力学模拟和DFT计算分析证明了可能的反应机理。结果表明，PP的光催化转化过程可分为两个步骤：在光照下，由 Bi⁰ 的 SPR 效应产生的热能使 PP 熔化并热解为 C4 等小分子。随后， C4 小分子被吸附于 Bi⁰@Bi³⁺-KNbO₃ 的表面并被超氧自由基的进攻，进一步转化为 CO和CH₃COOH 等化工原料。