塑料废弃物作为城市固废的主要组成部分，由于其不可降解性和广泛使用，正带来日益严重的环境负担。全球塑料累积量不断攀升，迫切需要可持续的策略将其回收并转化为高附加值产品。尽管塑料富含碳元素，是制备功能碳材料的理想前体，但将其直接转化为单原子催化剂（SACs）仍面临多重挑战：缺乏通用且可扩展的合成方法、热解过程中碳转化效率低、金属易团聚以及反应机制复杂等问题。

近日，澳大利亚阿德莱德大学王少彬教授、段晓光副教授团队提出了一种简单、可扩展的方法，成功将聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氯乙烯及其混合塑料转化为多种具有不同配位结构的单原子催化剂。该方法利用层状过渡金属氯化物盐作为模板和催化剂，在受限碳化过程中实现塑料向层状 SACs 的转化，并在水处理中有机污染物降解、电催化氧/氮还原反应以及锂硫电池等领域表现出卓越性能。相关论文以“Salt-templated transformation of waste plastics into single-atom catalysts for environmental and energy applications”为题，发表在Nature Communications 上，论文第一作者为Ren Shiyi。

研究人员通过将塑料碎片与金属盐按特定比例混合，并在氨气气氛中高温热解，成功合成出多种 SACs。图1展示了该方法的合成流程及所制备的不同塑料源 SACs 的实物样品，显示出该方法具有良好的普适性。在一批次实验室管式炉反应中，由聚乙烯和氯化铜制备的 CuSA-PE 产量可达1.1克，显示出规模化应用的潜力。

图1 | 塑料衍生单原子催化剂（SACs）的合成与展示 （a）以塑料和过渡金属盐为原料合成SACs的示意图。 （b）由不同塑料和金属盐合成的各类SACs样品图。 （c）由聚乙烯和氯化铜一批次合成所获得的CuSA-PE产量。 

图2通过透射电镜（TEM）和高角度环形暗场扫描透射电镜（HAADF-STEM）对这些催化剂进行了微观结构表征。图像显示，所有样品均呈现层状结构，金属原子以单分散形式嵌入碳基质中，不论是单一塑料还是混合塑料来源的 SACs，均表现出良好的原子级分散性。能谱 mapping 结果进一步证实了碳、氮和金属元素的均匀分布。

图2 | 塑料衍生SACs的微观结构表征 （a）五种单一塑料源SACs的TEM图像。 （b）五种单一塑料源SACs的HAADF-STEM图像，红色圆圈标出单原子位点。 （c）五种混合塑料（MPs）源SACs的TEM图像。 （d）五种MPs源SACs的HAADF-STEM图像，红色圆圈标出单原子位点。 （e）五种MPs源SACs的HAADF-STEM及相应EDS元素分布图。 

图3总结了不同塑料和金属组合所制备 SACs 的产品产率和比表面积（SSA）。结果显示，CuSA-PE 的产率最高（88%），而其 SSA 也达到了惊人的2795 m²/g。不同金属和塑料类型对孔结构有显著影响：铜基 SACs 更易形成微孔，而锰和镍基 SACs 则倾向于形成介孔结构。

图3 | 塑料衍生SACs的产品产率和比表面积 （a）不同塑料和金属盐合成SACs的产品产率（wt%）。 （b）相应SACs的比表面积（m²/g）。颜色深浅表示数值大小。 

通过同步辐射软X射线谱（SXRS）和X射线吸收近边结构（XANES）分析，图4揭示了 SACs 中金属原子的电子状态和配位结构。大多数金属呈+2价态，且除铜基催化剂为 Cu-N₄ 配位外，其他金属（Fe、Co、Ni、Mn）均形成 Metal-N₄-Cl 配位构型，氯原子位于轴向位置，以最小化空间位阻并稳定金属中心。

图4 | 塑料衍生SACs的同步辐射表征 （a）不同塑料和金属盐合成SACs的傅里叶变换扩展X射线吸收精细结构（FT-EXAFS）谱（R空间）。 （b）MPs源SACs与多种金属参比样品的FT-EXAFS谱对比。 （c）MPs源SACs、金属酞菁和金属氯化物的小波变换（WT）-EXAFS图。 （d）MPs源SACs的FT-EXAFS拟合谱，插图为各SAC的分子模型。 

性能评估部分（图5）显示，所制备的 SACs 在过一硫酸盐（PMS）活化降解酚类污染物中表现出色。其中 CoSA-PET、MnSA-PE 等12种催化剂可在30分钟内完全降解酚类污染物，其反应速率常数和转换频率（TOF）优于多数文献报道的 SACs。进一步机制研究表明，CoSA-MP/PMS 体系主要通过电子转移路径（ETP）实现非自由基氧化，对多种有机污染物均具有广谱去除能力，并在宽pH范围和实际水基质中保持高效稳定。

图5 | 塑料衍生SACs在废水处理中的催化效能 （a）不同SACs对酚类污染物的去除效率。 （b）不同方法合成SACs的归一化动力学速率常数对比。 （c）当前最优Fenton类SACs的TOF与金属负载量对比。 （d）CoSA-MP与PMS相互作用的原位拉曼光谱。 （e）CoSA-MP/PMS体系对多种污染物30分钟内的去除效率。 （f）CoSA-MP+PMS氧化系统的稳定性测试及催化剂负载于沙子的示意图。

此外，这些塑料源 SACs 在电化学系统中也表现优异。CuSA-PE 在氮还原反应（NRR）中表现出高法拉第效率（78%），MnSA-PET 和 CuSA-MP 在氧还原反应（ORR）中倾向于4电子路径，而 S/NiSA-PE 电极在锂硫电池中显示出高比容量和循环稳定性。

该项研究开发了一种通用、高效且可扩展的策略，将废塑料转化为高性能单原子催化剂，不仅为塑料垃圾的资源化利用提供了新路径，也为环境催化和能源转换提供了先进材料。通过优化盐塑比实现金属原子级分散和结构调控，该方法有望推动塑料循环经济与催化技术的协同发展。

高分子科学前沿