西湖大学工学院王蕾、文燎勇团队Cell Reports Physical Science: 天然高分子激光诱导石墨稀制备及应用

【导读】

随着我国工业化进程的加快，环境问题也日益严峻，特别是温室气体的过度排放和清洁水资源的短缺。一方面，CO₂作为主要温室气体，其排放量随着工业和农业活动的增加快速增长。其中，电化学还原方法是其中一种高效环保的方法可将排放的CO₂转化为多种高附加值的化学品原料。另一方面，矿物开采和化工生产废水中的重金属离子和有机微污染物对生态系统和人类健康也构成了严重的威胁。

 Figure 1. Schematic drawing of upcycling of post-consumer waste to M-LIG catalysts for producing green chemicals and clean water

【成果掠影】

近日，西湖大学王蕾、文燎勇团队报道了一种基于激光诱导技术转化含重金属壳聚糖为金属掺杂石墨稀的通用性升级循环策略。例如，铜掺杂石墨烯可作为催化剂被应用于CO₂电化学还原和有机微污染物降解，以便提供一种可持续的战略来有效、协同地解决温室气体过量排放和水污染的问题（Figure 1）。研究成果以“Sustainable upcycling of post-consumer waste to metal-graphene catalysts for green chemicals and clean water”为题发表在Cell出版社旗下新晋高水平期刊 《Cell Reports Physical Science》，西湖大学王蕾课题组博士研究生刘钟琦、文燎勇课题组胡小松博士为本文共同第一作者，西湖大学工学院文燎勇、王蕾研究员为本文共同通讯作者。

 【图文导读】

壳聚糖 (Chitosan) 作为一种从螃蟹等海产品的工业废物中提取的天然高分子，已被广泛用于废水中重金属离子的吸附。但使用后材料含有的重金属离子需要被重新解吸或直接连同材料作为危险废物处理。研究团队将螯合了不同金属离子（Cu²⁺、Pd²⁺、 Cd²⁺、Mn²⁺、Zn²⁺、Ni²⁺、Ag⁺ 和 Cr⁶⁺）的壳聚糖薄膜通过激光打印，在空气环境下直接碳化为金属掺杂的石墨烯（Metal-doped laser-induced graphene, M-LIG, Figure 2）。同时，通过改变金属含量和激光参数获得具有不同金属价态、氮元素位点和结构的石墨稀材料。在激光条件下，不同于天然高分子被直接分解为气态分子CO₂，螯合的金属离子能够提高壳聚糖薄膜的热稳定性，降低薄膜的表面温度。同时，金属离子在激光打印过程中被还原为金属单质，并催化碳原子重排生成石墨烯结构。此外，壳聚糖分子拥有大量自由氨基，能够在石墨烯结构中形成不同的氮元素位点。

Figure 2. Fabrication of M-LIG based on metal-chelated chitosan film

研究团队以铜掺杂石墨烯（Cu-LIG）作为催化剂，进行了CO₂电还原测试（Figure 3）。以流动池反应中，含碳产物的总法拉第效率（Faraday efficiency, FE）超过80%，其中乙烯作为主要C₂产物，FE约为25%。通过DFT计算，我们预测在CO₂电还原过程中，共同存在的Cu⁺ 和 Cu⁰促进了C-C偶联过程，有利于C₂产物的生成。

Figure 3. CO₂ER based on Cu-LIG catalysts

同时，研究团队以Cu-LIG薄膜作为类芬顿反应催化剂，降解污水中六种常见的有机微污染物（Figure 4）。研究结果表明，更容易被回收和循环使用的Cu-LIG薄膜可以高效的催化过氧化氢产生羟基自由基降解污染物。

Figure 4. Organic micropollutants degradation based on Cu-LIG

最后，研究团队对整个策略进行了系统的生命周期评价（Figure 5）。利用化工过程模拟手段Aspen Plus, 将CO₂电还原、反应器设计、下游产物的进一步转化和分离进行整合与优化。结果显示在未来的低碳情景下，利用含废水重金属的壳聚糖基石墨烯材料作为催化剂将CO₂电还原为C₂产物可实现显著的碳减排效益。  

Figure 5. LCA of applications of Cu-LIG catalyst

在这项工作中，研究团队提出了一种通用的升级回收策略，以应对由多种废弃物（固废、废气、废水）引起的环境挑战及问题。通过一步法激光诱导碳化，我们将含有废水重金属离子的壳聚糖成功转化为 M-LIG，并应用于CO₂电化学还原生产C2产物和高级氧化处理污水中的有机微污染物。总的来说，研究团队提出的战略可以为实现低碳、可持续的未来提供一种协同解决方案。该项目得到西湖大学交叉初创中心（MRIC）支持。

原文链接:

https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2023.101256