超99.9%!南京大学「国家优青」崔昕毅/景亚轩最新Nature子刊 | 逐级氢溢流助力废PET近定量制对二甲苯!

塑料废弃物的高值化利用因其对环境的严重影响已成为21世纪的核心挑战之一。

2026年1月28日，南京大学崔昕毅，景亚轩在国际知名期刊Nature Communications发表题为《Stepwise hydrogen spillover–engineered synergistic sites enable near-quantitative conversion of waste PET to p-xylene》的研究论文，Wenyi Ni，Hongshun Ran为论文共同第一作者，崔昕毅，景亚轩为论文共同通讯作者。

在本文中，作者报道了一种通过逐级氢溢流构建的CuCo/CoO_x催化剂，可在>99.9%的收率下将废聚对苯二甲酸乙二醇酯近定量转化为对二甲苯，性能显著优于各类铜基、钴基以及此前报道的贵金属催化剂。逐级氢溢流诱导生成部分相变的Co⁰物种和大量富氧空位的Co⁰/CoO_x界面；前者提升H₂解离效率，后者强化PET的C-O键活化并精细调控底物–产物吸附平衡，协同贡献卓越催化表现。

该催化剂对30余种真实聚酯塑料均展现广泛适用性，技术经济分析进一步表明其可显著降低CO₂排放并保持竞争性的加工成本。此项在PET近定量转化与逐级氢溢流构筑活性位方面的突破，为塑料废弃物升级利用和先进多相催化剂设计提供了宝贵启示。

21世纪，塑料持续消费已使填埋与自然环境中的废塑料累积超过49亿吨，并预计2050年达120亿吨。其环境负荷在陆地、海洋与大气中扩散，颗粒被生物富集，破坏生态系统并威胁人类健康。其中，聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）因密度低、机械强度高、耐磨耐化学且成本低，已成为全球用量最大的聚酯，年产量逾8200万吨，占塑料总产约8%，固废贡献约12%，主要应用于纺织纤维、硬质包装、一次性饮料瓶及薄膜。

将PET化学升级至高附加值化学品是先进循环利用的核心路径。传统水解、醇解已被广泛研究，新兴氢解及醇解-氢解耦合方案亦展现潜力。当前PET氢解产物分布宽，因多官能团加氢行为复杂，难以对单一目标化合物实现近定量收率。潜在产物中，对二甲苯（PX）在高端化工（聚酯纤维）、通用溶剂及医药实验室专用领域需求巨大，这些应用要求超高纯度并严控微量杂质，因此开发高选择性催化体系自PET制PX极为迫切。然而，现有金属催化剂（Ru、Pt等）因副反应（脱羧、芳环加氢）受限，选择性仍低。

氢解中C-O键断裂需路易斯酸负载金属催化剂（M_a/M_bO_x），金属位（M_a⁰）解离氢与路易斯酸位（M_bO_x）活化C–O键的界面协同决定效率。为最大化协同，采用同族过渡金属构建M/MO_x体系因其电子相互作用与能带匹配而有利。非贵金属Co/CoO_x成为理想候选，金属Co具中等氢活化能力，CoO_x对含氧底物亲和强。

已有Co/TiO₂、Co-Fe-Al、Co-Cu-Al等催化剂可降解PET，但Co/TiO₂与Co-Cu–Al对PX选择性差，仅Co-Fe-Al表现高PX选择性；单金属Co体系尚未实现高选择性转化。常规高温还原易致活性位烧结与相结晶，可及活性位密度降低，界面协同削弱。因此，理性设计结构精准、富含协同位点的Co/CoO_x催化剂，在温和条件下实现PET至PX近定量转化，仍高度渴求却尚未实现。

基于此，作者报道了一种独特的“逐级氢溢流”构建CuCo/CoO_x催化剂，可在>99.9%收率下将废PET高效转化为PX。该策略如下：CuO优先还原为Cu⁰，启动氢溢流还原CoO_x；新生Co⁰具更强氢活化能力，驱动二次溢流加速剩余CoO_x还原。与单金属Co体系相比，逐级氢溢流在更低温度下生成部分相变Co⁰物种，并同时产生大量富氧空位Co⁰/CoO_x界面。部分相变Co⁰在氢解离能力与活性位密度间实现最优平衡，性能全面优于完全相变与未相变状态；富空位Co⁰/CoO_x界面增强C–O键活化，并精细调控底物-产物吸附平衡，协同贡献卓越催化性能。

催化剂对>30种实际聚酯塑料均展现广泛适用性。技术经济分析显示CO₂排放显著降低且加工成本具备竞争力。本研究在PET近定量转化及氢溢流构筑活性位方面取得突破，为塑料废物高值化与先进多相催化剂设计提供重要启示。

图1：PET→PX一步氢解策略示意。以CuCo/CoO_x为催化核心，借“逐级氢溢流”在低温下生成富氧空位Co⁰/CoO_x界面，实现废PET近定量转化为高值p-二甲苯（>99.9%），并展示反应器-分子-活性位三级关联。

图2：催化性能与路径验证。a)CuCo/CoO_x活性碾压单金属及贵金属对照；b)四循环稳定性>99%；c)1HNMR仅见PX信号；d)TGA无残碳；e)GC单峰；f)模型底物验证“酯键断裂→4-甲基苯甲醇→脱羟”三步机理。

图3：催化剂微结构表征。TEM显示Cu引入使粒径减小并诱发hcp-Co→fcc-Co部分相变；HR-TEM捕获Co⁰/CoO_x三类界面；XRD、Raman、EPR、吡啶-IR、XPS共同证实Cu诱导晶格畸变→氧空位浓度↑→Lewis酸位点↑。

图4：逐级氢溢流机制。H₂-TPR峰整体下移~100 ℃；WO₃显色实验证实Cu先还原并启动初级溢流，新生fcc-Co⁰作为二级溢流中心；DFT计算fcc-Co(111)解离H₂能垒仅0.05 eV，远低于hcp-Co与Cu，阐明相变促进二次溢流。

图5：构-效关系与分子机理。a)H₂压与底物浓度协同影响PX产率；b)H₂-TPD显示CuCo/CoO_x吸附量↑且溢流H*脱附温度↑；c)时间曲线证明Co/CoO_x受产物抑制；d-e)底物与PX的TPD揭示CuCo/CoO_x吸附底物强、产物弱，避免自毒；f-i)原位FTIR捕获C–O键优先活化并生成醛中间体；j)提出“C–O活化→溢流H*进攻→脱羟→PX脱附”完整循环。

图6：真实废塑料转化与经济技术评估。a-b)28种实际PET（纯料、含添加剂、混合塑料）均>99%PX收率；c)八种典型添加剂仅两种致轻度失活；d)生命周期评估：PET-to-PX路线成本¥5.90kg^-1、利润提升106%，碳排放降30.7%，对化石路线形成经济与环保双重优势。

综上，作者开发了一种CuCo/CoO_x催化剂，通过逐级氢溢流策略在低温下构建富氧空位的Co⁰/CoO_x界面，实现废PET近定量（>99.9%）选择性转化为高值对二甲苯（PX）。该成果不仅突破性地解决了PET氢解选择性低的难题，还展现出对多种真实废聚酯的广泛适用性，兼具显著减碳与成本优势，为塑料废弃物高值化循环和绿色化工提供了可扩展的新路线。

Stepwise hydrogen spillover–engineered synergistic sites enable near-quantitative conversion of waste PET to p-xylene. Nat. Commun., 2026. https://doi.org/10.1038/s41467-026-68990-4.