《Chinese Journal of Catalysis》：Key components for realistic application of plastic photoreforming coupled with H
2 evolution
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綠氫作為清潔能源載體，其生產技術對緩解能源與環境危機至關重要。本文系統綜述了光催化整體水 splitting耦合塑料降解技術，探討預處理策略、催化劑開發、反應模塊優化及可行性分析，提出從實驗室到產業化的關鍵路徑與挑戰。
Jinpeng Zhang|Teng Liang|Jaenudin Ridwan|Tian Chen|Elhussein M. Hashem|Meijun Guo|Amin Talebian-Kiakalaieh|Le Yu|Ping She|Jingrun Ran
阿德萊德大學化學工程學院，澳大利亞南澳大利亞州阿德萊德5005
摘要 綠色氫（H2 ）能源在應對氣候變化、推動能源轉型和促進可持續發展方面發揮著重要作用。太陽能驅動的塑料光重整技術提供了一種有吸引力的解決方案，它克服了整體水分解過程中氧釋放半反應速度慢的局限性，同時解決了塑料造成的環境污染和資源浪費問題。然而，這項技術仍處于實驗階段，從實驗室到實際應用的過渡仍缺乏系統的規劃。在這篇綜述中，我們探討了塑料光重整的關鍵組成部分，包括塑料預處理方法、光催化劑的探索、適用于實際應用的基本光催化模塊以及其可行性。最后，我們對這一領域的發展前景進行了討論。
引言 目前，全球能源結構仍然主要依賴于傳統和不可再生的化石燃料[1]。然而，化石燃料的過度使用引發了嚴重的能源危機，嚴重阻礙了全球可持續發展的進程。此外，能源行業占溫室氣體排放量的大約四分之三，現在已成為應對氣候變化危機的關鍵。為了解決這一系列全球性危機，聯合國（UN）和國際能源署（IEA）制定了相關政策（例如可持續發展目標（SDG）7、SDG 13和凈零路線圖），旨在確保人們能夠獲得負擔得起/可靠/可持續/現代的能源，并消除能源行業對環境的影響。為了實現這些目標，開發清潔和可再生的太陽能[2]以替代化石能源并從根本上改變全球能源結構已成為所有國家的戰略共識。
氫（H2 ）因其清潔性、高能量密度和可儲存性而被視為未來的理想能源載體[3]。不幸的是，目前使用化石燃料作為能源輸入的技術（例如甲烷蒸汽轉化、石油/石腦油轉化和煤制氣工藝）占全球H2 生產的96%[4]，這無法從根本上解決能源和環境危機。因此，迫切需要開發可持續和綠色的H2 生產技術。
通過光催化整體水分解生產H2 技術因利用可再生的太陽能作為能源輸入源且零排放溫室氣體而獲得了發展勢頭[5, 6]。在這個過程中，來自光催化劑的光激發電子和空穴分別驅動H2 和氧氣（O2 的釋放，實現了太陽能向化學能的轉化。到目前為止，克服光催化O2 釋放過程中的高能量障礙和緩慢動力學仍然是挑戰[7]。添加犧牲試劑來消耗空穴通常被認為是克服這一障礙的萬能方法。然而，使用犧牲試劑（例如酒精、胺、抗壞血酸和三乙醇胺）不僅會導致光生成的空穴浪費和成本增加，還可能產生潛在的環境問題，因為這些犧牲劑可能被氧化成有害物質，從而嚴重阻礙了這一策略的大規模應用。
令人興奮的是，大量富含碳和氫的塑料（由于缺乏可持續回收手段，大多數被丟棄或填埋[8, 9, 10]）可以作為原料，而不是犧牲試劑來消耗氧化過程中的空穴[11]。將H2 釋放與塑料氧化相結合可以加速H2 的釋放，同時將塑料廢物轉化為高價值化學品。同時，這項技術還可以緩解“白色污染”（例如影響生物多樣性、威脅人類健康和破壞生態系統）所帶來的問題。總體而言，這種“一石二鳥”的耦合系統有望改變H2 生產和塑料廢物管理的格局。
然而，這一領域仍處于起步階段，缺乏全面的綜述，特別是在將這項技術推向實際應用方面的系統總結和討論，以促進進一步的發展。在這篇綜述中，我們首次提出了推進塑料光重整的路線圖，強調了實現實際應用所需的關鍵研究領域（圖1）。具體來說，首先闡述了塑料光重整的原理。然后，我們提出了使其能夠實際應用的關鍵組成部分，包括預處理策略、光催化劑開發、基本光催化模塊以及可行性分析。最后，我們指出了現有的挑戰和機遇。
部分內容 反應原理 光催化原理在于利用催化劑在室溫下通過光照實現一系列化學反應。當入射光子的能量超過光催化劑的帶隙能量（Eg ）時，光激發的電子遷移到導帶（CB），而光激發的空穴則留在價帶（VB）中。部分載流子會重新結合釋放熱能/光能，而未結合的載流子則遷移到表面
預處理方法 未經處理的塑料通常具有較高的解離能和疏水性，這使得其難以有效分解和轉化。適當的預處理可以將塑料分解成短鏈單體或寡聚物，從而更容易參與光重整過程，從而釋放其全部潛力[19, 20]。塑料預處理通常涉及物理、化學和生物方法的單一或組合使用。
光催化劑探索 目前，研究人員正在集中研究各種催化劑（表1和圖4(a)）。近年來，關于塑料光重整的出版物數量顯著增加（圖4(b)），顯示出人們對這一領域的興趣日益濃厚。需要克服的挑戰主要集中在提高基底吸附能力、優化光吸收、促進電荷分離和轉移、增強催化劑的穩定性以及降低生產成本等方面。
適用于實際應用的基本光催化模塊 除了持續優化塑料預處理方法和光催化劑外，還應關注基本光催化模塊（圖9）的探索，包括太陽跟蹤和聚焦技術以及光重整反應器。此外，還需要關注光催化模塊的操作參數優化，以最大化整體效率。可行性分析 技術經濟分析（TEA）和生命周期評估（LCA）對于評估塑料光重整作為大規模H2 生產和塑料廢物管理的可行性和可持續性至關重要。同時評估TEA和LCA可以確定實現經濟和環境可持續性平衡發展的研究方向。Reisner團隊通過構建光重整中試工廠模型進行了可行性分析[4, 32]。
結論與展望 總體而言，我們介紹了光催化H
2 生產和協同塑料氧化的基本原理。詳細回顧了塑料的預處理策略以及改進光催化劑缺陷的方法。同時，還總結了實現實際應用所需的基本光催化模塊。最后，總結了一些挑戰和展望：
(1)
作者貢獻 J. R. 負責了本綜述的整個起草和修訂過程。J. Z. 和 J. R. 提出了綜述的主題。J. Z.、T. L.、M. G. 和 L. Y. 共同設計并修正了圖表。J. Z. 和 T. L. 起草了手稿。J. R.、P. S. 和 L. Y. 在提交前對稿件進行了修訂。J. R.、E. H.、T. C. 和 A. M. 幫助修訂了稿件。所有作者均同意最終版本的手稿。? J. Z. 和 T. L. 的貢獻相同。
利益沖突聲明 作者聲明以下可能的財務利益/個人關系：Jingrun Ran 表示他獲得了澳大利亞研究委員會的財務支持。如果還有其他作者，他們聲明沒有已知的可能會影響本文所述工作的財務利益或個人關系。
致謝 J. Z. 和 M. G. 感謝中國國家留學基金委（CSC）提供的支持。
Jingrun Ran （阿德萊德大學化學工程學院）在阿德萊德大學獲得了化學工程博士學位。目前，他擔任阿德萊德大學化學工程學院的高級講師。2020–2024年間，他被評為Clarivate高被引研究人員。2023年，他獲得了ARC未來獎學金。他領導的一個研究小組專注于先進材料的原子級設計和制造
