马丁/王蒙课题组实现聚苯乙烯塑料多相光催化氧化制备苯甲酸

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塑料是现代社会重要的一种合成材料，其生产量逐渐增加，截止2020年年产量已高达近4亿吨。据估计80%以上的废塑料使用后直接抛弃、填埋或焚烧，没有进行有效回收，造成了严重的环境污染和资源浪费问题。聚苯乙烯是一类常见的合成塑料，常用于制作各类包装、一次性餐具、填料，但其回收率很低。聚苯乙烯传统的化学回收方法是在300℃以上的温度下以金属氧化物为催化剂催化热解得到混合芳烃，同时今年也有课题组报道采用均相催化剂将聚苯乙烯转化为苯甲酸的新过程。
        近日，北京大学化学与分子工程学院马丁/王蒙课题组首次报道了一种多相光催化体系将聚苯乙烯塑料转化为苯甲酸等芳香含氧化合物的新过程。采用石墨相氮化碳（g-C3N4）催化剂，在乙腈溶剂中加热光照（150 ℃，氙灯光照），可以高效制备苯甲酸等芳香含氧化合物（转化率 > 90%，目标产物收率 > 60%）。
        研究表明，催化氧化反应存在诱导期。此时，聚苯乙烯上首先发生随机的部分氧化，在其骨架引入羟基、羰基等活性基团，而小分子产物生成速率较慢。随着反应进一步进行，含氧基团邻近活化的C-C键发生断裂，最终得到苯甲醛、苯乙酮、苯甲酸等小分子产物，如图1所示。

图1  g-C3N4催化的聚苯乙烯光催化氧化机理

        在对反应机理有了初步认识的基础上，作者通过设计液相循环反应系统，在适当的反应程度下分离反应产物避免过度氧化副反应，实现了0.5 g实际聚苯乙烯泡沫球的转化，分离后得到了0.24 g 苯甲酸纯品，如图2所示。此外，通过一定的氧化预处理，可以进一步提高聚苯乙烯塑料的溶解性和催化转化反应性能；通过在液相循环反应系统中改变聚苯乙烯溶液的质量空速，也能够实现液相产物选择性的调变（从50%苯甲醛到80%苯甲酸）。

图2 聚苯乙烯泡沫球转化为苯甲酸纯品

        该研究成果近日以“Catalytic oxidation of polystyrene to aromatic oxygenates over a graphitic carbon nitride catalyst”为题发表于Nature Communications。
该研究得到国家自然科学基金、科技部重点研发计划、北京分子科学国家研究中心等的资助。北京大学马丁教授和王蒙副研究员为该工作的共同通讯作者，第一作者为北京大学化学与分子工程学院博士研究生曹若辰。
       文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-32510-x
      


        文章来源：北京大学
       马丁，北京大学，化学与分子工程学院，研究员。1996年四川大学化学系物理化学专业毕业。2001年获中国科学院大连化学物理研究所理学博士学位，2000年美国国家高场实验室访问学生，2001-2005年牛津大学和Bristol大学博士后研究。2005年入选中国科学院“百人计划”，大连化学物理研究所催化基础国家重点研究室副研究员，2007年晋升研究员。2009年，北京大学化学与分子工程学院先进催化课题组组长，研究员，博士生导师。主要从事合成气转化、水活化、烃类选择转化和催化原位表征技术等方面研究，在费托合成、双金属催化体系、催化机理研究等方面取得了系列进展。发表SCI论文160余篇，他引4800余次，h-index 40。纳米催化项目获得2009年度辽宁省自然科学一等奖。获得2014年度北京大学王选青年学者奖，2014年度北京大学青年教师教学比赛一等奖。2014年度应邀担任英国皇家化学会期刊Catalysis Science & Technology副主编。2016年入选英国皇家化学会会士(Fellow of Royal Society of Chemistry)。已在国际学术刊物Science、J Am Chem Soc、Angew Chem Int Ed、Sci Rep、ACS Catal、Appl Catal B: Environ等发表论文180篇。