以太阳能驱动解决CO2排放和塑料污染问题是一条新型的可持续发展道路，但在一个过程中同时实现CO2和塑料转化制备增值产品极具挑战性。英国剑桥大学Erwin Reisner牵头的研究团队实现了与塑料重整同时进行的光电化学CO2转化。该研究开发了一种用于CO2转化的多功能光电化学平台，并且该平台可与塑料的改性相耦合。基于钙钛矿的光电阴极能够集成不同的CO2还原催化剂（CO2Rcat），例如分子钴卟啉（CoPL）、Cu91In9合金和甲酸脱氢酶（FDH），它们分别产生CO、CO与H2的合成气和甲酸盐。Cu27Pd73合金阳极在碱性溶液中选择性地将PET塑料改性为乙醇酸盐（GA）。
研究人员首先利用光吸收剂卤化铅钙钛矿器件（PVK）和CO2Rcat催化剂集成制成光电阴极，然后连接到Cu27Pd73合金阳极以形成组合Cu27Pd73||PVK|CO2Rcat的光电化学（PEC）系统。首先，由于PEC系统的多功能性和产品选择性取决于催化剂的性质，为此选择了CoPL、Cu91In9合金和FDH三种不同类型的系统，使用具有Ag/AgCl参比电极和Pt网对电极的三电极配置，对每个CO2Rcat系统单独进行控制电位电解（CPE），对CO和H2的产物定量分析使用气相色谱，对甲酸盐使用离子交换色谱。其中CoPL催化剂以85±2%的法拉第效率（FE）催化生成CO，双金属Cu91In9催化剂催化生成合成气（FECO=48.8%和FEH2=46.4%），FDH催化剂催化主要生成甲酸盐，法拉第效率可达96±2%。电化学分析结果表明，使用不同类型的催化剂体系可以调节CO2还原反应的产物及其分布。其次，通过伏安循环（CV）分析表明整个单光吸收体PEC系统在内部化学偏压和零外加电压的驱动下工作。该系统的性能类似于无偏压的双光吸收塔，具有比光催化工艺高约10-100倍的生产率。最后，为了实现以太阳能驱动的PET重整耦合CO2转化为燃料的过程，使用碱性预处理PET溶液作为阳极电解液在Cu27Pd73||PVK|CO2Rcat系统中进行时长为10 h太阳能驱动的PEC实验。Cu27Pd73||PVK|CoPL系统光电阴极产生的CO量为263±99 µmol cm-2，整个实验中相应的FECO约为90%，CO转换数（TONCO）和转换频率（TOFCO）约为1.1×104s-1和0.3 s-1，阳极PET的主要氧化产物为GA，产量为31±7 µmol，相应的FEGA为98.3%。Cu27Pd73||PVK|Cu91In9系统光电阴极生成CO和H2的产率分别为212±148 µmol cm-2和240±75 µmol cm-2，FECO为43±24%，FEH2为49±18%，阳极PET的主要氧化产物为GA，产量为52±18 µmol，FEGA为96±9%。Cu27Pd73||PVK|FDH系统光电阴极获得121±87 µmol cm–2甲酸盐，FE甲酸盐>95%，TON甲酸盐和TOF甲酸盐分别为3.4×105和9 s-1，阳极PET的主要氧化产物为GA，产量为14±8 µmol，FEGA为96±14%。PEC系统的这一进步不仅是实现太阳能燃料合成范围多样化、提高效率和选择性的重要基石，也是实现可持续商业发展的关键指标。
本研究开发了一种高效且多功能的PEC系统以实现太阳能驱动的CO2与塑料重整相结合制备增值产品。整个PEC系统（定义为Cu27Pd73||PVK|CO2Rcat）具有可调的产品分布，以高选择性和显著的产品生成速率产生CO、合成气和甲酸盐等产品，并在阳极进行聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）重整，可将PET塑料转化为乙醇酸盐（GA），法拉第效率大于90%，为同时转化CO2和塑料制备增值产品探索出一条可行的道路。相关研究成果发表在《Nature Synthesis》
。
文献来源：Bhattacharjee S,
Rahaman M, Andrei V, et al. Photoelectrochemical CO2-to-fuel
conversion with simultaneous plastic reforming. Nature Synthesis, 2023, DOI:
10.1038/s44160-022-00196-0.
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