FIE太阳能驱动的塑料废弃物转化——光重整共产氢与化学品研究进展
FIE 太阳能驱动的塑料废弃物转化——光重整共产氢与化学品研究进展
论文标题： Solar-driven plastic waste conversion: A mini-review on photoreforming for Co-producing hydrogen and chemical feedstocks
期刊： ENGINEERING Energy
作者：Runzhi Yuan, Zejun Zhang, Fankai Bu, Zhidong Wei, Junying Liu, Wenfeng Shangguan
发表时间：4 Jul 2025
DOI： 10.1007/s11708-025-1022-4
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文章简介
本文系统探讨了光重整技术在塑料废物转化中的应用，重点分析了该技术的优势、研究进展、核心机制及未来方向。通过对比传统塑料处理方法，阐明了光催化转化作为绿色可持续解决方案的潜力，详细阐述了塑料光重整的反应原理、预处理策略、光催化剂设计，并展望了人工智能在催化剂开发中的应用前景。
研究背景与意义
塑料作为一类广泛应用的合成材料，涵盖聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）等多种类型，自20世纪50年代工业化生产以来，全球产量已呈现指数级增长，预计到2040年将达到200亿吨。然而，塑料废物的回收利用率极低，约80%的废弃塑料最终会进入填埋场或自然环境，不仅造成长期的生态污染，还导致碳资源的严重浪费。传统处理方法如焚烧和机械回收存在显著局限性：焚烧会释放有毒气体和温室气体，机械回收则因材料性能劣化导致产品附加值低，且难以处理混合塑料。
图1 常见塑料及其化学结构、典型光重整产物与处理策略
在此背景下，光催化转化技术通过利用太阳能能够将塑料废物转化为氢燃料和高价值化学品，为解决塑料污染与能源短缺的双重挑战提供了新思路。光重整作为光催化转化的核心技术，通过光催化剂驱动反应，在常温常压下实现塑料的降解与升级回收，既避免了传统方法的高能耗与污染问题，又能同时产出清洁能源和化工原料，具有显著的环境与经济价值。本研究通过系统梳理光重整技术的原理、催化剂设计及反应动力学，为该领域的进一步发展提供了理论基础与实践指导。
主要研究内容
塑料处理技术的对比与光重整的优势
文章首先对比了现有塑料处理技术的优劣：填埋和焚烧操作简便，但资源回收率低且污染严重；机械回收依赖物理破碎与重塑，易导致材料性能下降；热解能够将塑料转化为液体燃料，但需高温条件且能耗较高。相比之下，光重整技术以太阳能为驱动力，在室温下即可实现塑料的氧化还原反应，其核心优势在于热力学与动力学的双重可行性：塑料中的碳-碳键（C-C）和碳-氢键（C-H）较水分子中的氧-氢键（O-H）更易断裂，且反应的吉布斯自由能变化（ΔG 0 ）更低，显著降低了反应的能量壁垒。
光重整反应机制与塑料预处理
光重整的基本原理是通过光催化剂吸收光能，激发电子-空穴对，其中光生电子（e - ）将质子（H + ）还原为氢气（H 2 ），空穴（h + ）则氧化塑料分子生成小分子化学品。反应效率受塑料的溶解度与化学惰性影响，因此预处理步骤至关重要。预处理方法一般分为三类：物理法（如机械研磨）通过增加比表面积提升反应接触效率，但能耗较高；化学法（如酸碱水解）可快速解聚聚酯类塑料（如PET、PUR），但需腐蚀性试剂且易产生副产物；生物法（如酶解）在温和条件下实现高选择性降解，但反应周期长且酶成本昂贵。新兴的光热耦合预处理技术则通过太阳能加热与催化协同，有望平衡效率与环保性。
图2 水分解与塑料光重整的热力学差异及主要反应示意图
图3 塑料预处理方法分类示意图
光催化剂的设计与进展
文章重点讨论了以下三类光催化剂的研究进展：
1. 金属氧化物：以二氧化钛（TiO 2 ）为代表，其价带（VB）源自氧的2p轨道，氧化能力强，可有效断裂塑料分子链。例如，Pt/TiO 2 体系在光催化下可将PE降解为乙烷和丙酸，但受限于紫外光吸收。五氧化二铌（Nb 2 O 5 ）和氧化镓（Ga 2 O 3 ）等新型氧化物则实现了塑料的直接矿化，如Co-Ga 2 O 3 纳米片可将PE转化为合成气（H 2 /CO）。
2. 金属硫化物：硫化镉（CdS）因能带结构适宜成为研究热点，但其光腐蚀问题可通过异质结构设计缓解。例如，MoS 2 修饰的CdS纳米棒（MoS 2 /CdS）通过电荷分离效率提升，实现PET光重整的氢气产率达3.90 mmol/(g·h)，并生成甲酸和乙酸。
3. 非金属基材料：氮化碳（C 3 N 4 ）具有低成本、可见光响应等优势，通过功能化修饰和助催化剂负载，可将PET和聚乳酸（PLA）的氢气产率分别提升至82.5和178 μmol/g。
AI驱动的催化剂设计与未来方向
文章提出，人工智能（AI）技术将加速光催化剂的开发，具体包括：数据驱动筛选、生成式设计、多尺度模拟及自动化实验闭环。此外，工业规模化需解决催化剂稳定性、反应器设计及塑料废物流预处理的集成问题，推动技术从实验室走向实际应用。
图4 不同半导体的带隙和能带边位置相对于标准氢电极（NHE）的电势尺度比较
研究结论
本综述系统阐明了光重整技术在塑料废物转化中的核心地位，通过对比传统处理方法，突出了其低能耗、高附加值及环境友好的优势。光重整反应的热力学可行性与动力学效率使其成为塑料升级回收的理想路径，而预处理技术的优化与光催化剂的设计是提升效率的关键。金属氧化物、硫化物及氮化碳基催化剂各具特色，但均需进一步改善稳定性与光吸收范围。
尽管光催化转化技术仍面临挑战——如催化剂成本高、反应产率低、工业放大困难等——但其在可再生能源生产与资源循环领域的潜力显著。未来研究需聚焦低能耗预处理方法、高效稳定的催化剂开发及系统集成，以推动该技术的实际应用，为全球塑料危机与碳中和目标提供可持续解决方案。
原文信息
Solar-driven plastic waste conversion: A mini-review on photoreforming for Co-producing hydrogen and chemical feedstocks
Runzhi Yuan 1 , Zejun Zhang 1 , Fankai Bu 1 , Zhidong Wei 2 , Junying Liu 1 , Wenfeng Shangguan 3
Author information:
1. Biofuels Institute, School of Environment and Safety Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China
2. College of Smart Energy, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200030, China
3. Research Center for Combustion and Environment Technology, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China
Abstract:
The increasing accumulation of discarded plastics has already caused serious environmental pollution. Simple landfills and incineration will inevitably lead to the loss of the abundant carbon resources contained in plastic waste. In contrast, photoconversion technology provides a green and sustainable solution to the global plastic waste crisis by converting plastics into hydrogen fuel and valuable chemicals. This review briefly introduces the advantages of photoconversion technology and highlights recent research progress, with a focus on photocatalyst design as well as the thermodynamics and kinetics of the reaction process. It discusses in detail the degradation of typical common plastic types into hydrogen and fine chemicals via photoconversion. Additionally, it outlines future research directions, including the application of artificial intelligence in catalyst design. Although photocatalytic technology remains at the laboratory stage, with challenges in catalyst performance and industrial scalability, the potential for renewable energy generation and plastic valorization is promising.
Keywords:
Photoreforming; waste plastics; hydrogen production; chemical feedstock; photocatalysts
Cite this article:
Runzhi Yuan, Zejun Zhang, Fankai Bu, Zhidong Wei, Junying Liu, Wenfeng Shangguan. Solar-driven plastic waste conversion: A mini-review on photoreforming for Co-producing hydrogen and chemical feedstocks. Front. Energy, https://doi.org/10.1007/s11708-025-1022-4
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通讯作者简介
上官文峰 ，上海交通大学机械与动力工程学院 特聘 教授，主要从事光催化与环境催化、太阳能光解水制氢、燃烧排放及大气污染控制等方面的研究；获国家发明专利授权30余项，出版中英文专著译著7部，发表学术论文300余篇，2014年以来连续入围“中国高被引学者”榜单，曾获上海市自然科学一等奖，宝钢教育基金会优秀教师奖等；兼任中国化学会催化专业 委员 会 委员 ，Journal of Environmental Science、Frontiers in Energy期刊编委、《工业催化》副主编等。
刘军营 ，江苏大学环境与安全工程学院教授。研究方向：太阳能/光电分解水及完全分解水制氢；生物纳米杂合细胞构筑；环境污染物治理及废弃物资源化利用。在催化、材料等领域知名SCI期刊Chem. Mater.、Appl. Catal. B-Environ.、ACS Appl. Mater. Interfaces、Chem. Eng. J.、ACS Sustain. Chem. Eng. 、Catal. Sci. Technol.、ChemcatChem、Chinese J. Catal.等，共计30余篇，其中以第一作者或通讯作者身份发表10 余篇，ESI高被引论文3篇。
关于 ENG.Energy
ENGINEERING Energy （原 Frontiers in Energy ）是中国工程院院刊能源分刊，由中国工程院、上海交通大学和高等教育出版社共同主办。翁史烈 院士 和倪维斗 院士 为名誉主编，中国工程院 院士 黄震、周守为、苏义脑、彭苏萍担任主编。加拿大皇家 科学院 、加拿大工程院、中国工程院外籍 院士 张久俊，美国康涅狄格大学校长、教授Radenka Maric，上海交通大学教授Nicolas Alonso-Vante和巨永林担任副主编。
ENGINEERING Energy 已被SCIE、Ei Compendex、CAS、Scopus、INSPEC、Google Scholar、CSCD(中国科学引文数据库)、中国科技核心期刊等数据库收录。2024年影响因子为6.2,在“ENERGY & FUELS”学科分类中位列55位(55/182)，处于JCR Q2区。2024年度CiteScore为6.9，在“Energy”领域排名#77/299；2025年即时IF为 8.0 ，即时CiteScore为 9.0 。
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