第一作者：李丹

通讯作者：张水峰，郑伏琴，陈卫

通讯单位：广西师范大学

论文DOI：10.1016/j.apcatb.2025.125867

塑料污染+能源消耗，双重困境如何破局？ 全球PET塑料（如饮料瓶）因难降解持续污染环境，而传统绿色制氢中，水电解阳极的氧析反应（OER）不仅耗能高，还存在氢氧混合爆炸风险。如何将“废塑料”转化为“高价值化学品”，同时降低制氢能耗？广西师范大学团队的最新研究给出了答案——通过设计新型空心异质结构催化剂(FeOOH/CoOOH)，让乙二醇（PET水解产物）电氧化（EGOR）效率大幅提升，为塑料回收与绿色能源耦合提供新路径。

1. 解决 PET 污染痛点：PET 难降解，传统回收效率低，本研究将其水解产物乙二醇（EG）定向转化为高附加值产物甲酸（FA），实现 “污染物资源化”；

2. 替代高耗能 OER：EGOR 替代 OER 作为电解水阳极反应，降低制氢能耗，兼顾环保与能源效益；

3. 突破 EGOR 催化瓶颈：单一组分催化剂对 EG 吸附弱、C-C 键难断裂，导致转化效率低，需设计高效异质结构优化催化性能。

1. 创新催化剂结构：成功制备空心FeOOH/CoOOH 异质结构，经原位表征证实，FeP/CoP 前驱体在反应中重构为 FeOOH/CoOOH，是实际催化活性位点；

2. 内置电场促吸附：FeOOH 与 CoOOH 的功函数差异形成 “内置电场（BEF）”，显著增强 EG 和 * OH 中间体吸附，为C-C 键断裂奠定基础；

3. 优异催化性能：仅需 1.32 V（vs RHE）低电位可达到10 mA cm⁻² 电流密度，甲酸法拉第效率高达 92.19%，高于单一 FeOOH 和CoOOH 催化剂；

4. 明确反应路径：通过原位红外光谱锁定 “乙醇酸（GA）” 为关键中间体，证实 EG 经 GA 路径定向转化为甲酸，为催化剂设计提供理论依据。

关键数据可视化，读懂研究核心

图 1：催化剂的 “诞生” 与结构优势

合成过程：先将 Co、Fe 金属盐与 PVP 混合煅烧得 Fe₂O₃/CoFe@NC 前驱体，再经磷化反应生成空心 FeP/CoP@NC；

结构亮点：TEM/HR-TEM 显示，FeP 与 CoP 形成清晰异质界面；空心结构加速传质，异质界面提供更多活性位点；

元素分布：HAADF-STEM mappings 证实 Co、Fe、P 均匀分布于空心颗粒，N、C 则分散在碳纳米片基底，保障导电性。

图 2：催化性能 “碾压” 单一组分催化剂

低电位高活性：LSV 曲线显示，FeP/CoP@NC 达到 10 mA cm^-2仅需 1.32 V，低于 FeP@NC（1.54 V）和 CoP@NC（1.33 V）；

低电阻快传质：EIS 和 Tafel 斜率分析表明，该催化剂电荷转移电阻更小、电子转移速度更快；

高选择性稳定产甲酸：¹H NMR 证实甲酸是唯一液态产物，6 次循环测试中法拉第效率均超 85%，稳定性优异。

图 3：反应机制的 “幕后真相”

活性位点重构：原位拉曼显示，反应中 FeP/CoP 逐渐氧化为 FeOOH/CoOOH（485，580 cm^-1为 CoOOH 特征峰，680 cm^-1为 FeOOH 特征峰）；

间接氧化路径：多电位阶跃实验证实，高价态的 MOOH（M=Fe/Co）先电化学氧化生成，再与EG 发生自发氧化还原反应；

图4：内置电场的形成

内置电场促电子转移：XPS/UPS 表明，FeOOH（功函数 3.22 eV）向CoOOH（功函数 3.62 eV）转移电子，形成 BEF，优化中间体吸附。

图 5：催化剂吸附行为与 EGOR 路径

1. LSV 表明高 OH⁻浓度有利于*OH吸附从而提升催化活性，原位红外和开路电压实验显示 FeP/CoP@NC 对 * OH和EG吸附更强；

2. 原位外反射红外捕捉到乙醇酸特征峰，结合对比实验证实 EGOR 遵循 “乙二醇→乙醇酸→甲酸” 路径。

图 6：DFT计算验证催化机制

1. DOS 图显示 FeOOH/CoOOH 费米能级处电子态密度高，导电性优；

2. d 带中心上调至 - 1.302 eV，吸附能计算证实其对 * EG、*OH 吸附更强，吉布斯自由能图显示 C-C 键断裂和决速步能量壁垒低。

图 7：耦合制氢与 PET 实际转化

1. 耦合制氢降能耗：EGOR-HER 耦合系统达到 10 mA cm⁻² 仅需 1.37 V，低于传统全解水（1.54 V）；

2. PET 实际转化：将商业 PET 在 2 M KOH 中水解，所得电解液中，催化剂实现 10 mA cm^-² 仅需 1.35 V。甲酸法拉第效率 76.23%，验证实际应用潜力。

1. 本研究通过 “前驱体重构 + 异质界面设计”，成功制备出空心 FeOOH/CoOOH 异质结构催化剂；

2. 利用内置电场增强 EG 和 * OH 吸附，上调 d 带中心，加速C-C 键断裂，实现 EG 高效转化为甲酸；

3. 证实 EGOR 遵循 “MOOH 间接氧化” 机制，明确乙醇酸为关键中间体；

4. 既为 PET 塑料污染问题提供了解决新方案，又降低绿色制氢能耗，实现 “环保-能源- 经济”三重效益统一。