塑料的持续消费与积累正在加剧全球环境污染，对人类健康构成日益严峻的潜在威胁。聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）作为全球应用最广泛的聚酯材料之一，广泛应用于饮料瓶、食品包装、纺织纤维及薄膜等领域。通过催化转化将废弃PET定向转化为高附加值产品，已成为实现塑料高值化循环的关键突破口，也是对传统回收技术的重要补充。然而，PET分子结构中存在多个易反应官能团，在氢解过程中常引发复杂的副反应，导致目标产物选择性低，使其高选择性催化转化面临严峻挑战。
近日，我校前沿科学学院环境与健康研究院景亚轩助理教授、环境学院崔昕毅教授合作团队提出逐步氢溢流（stepwise hydrogen spillover）策略，构筑了具有丰富协同效应的 CuCo/CoOx多功能催化剂，将废弃PET塑料高效、定向转化为对二甲苯，收率超过99.9%。
图1 全文示意图
废弃PET塑料氢解需要解离氢的金属位点与活化C-O键的Lewis酸位点等多个活性位点的协同催化，同时需抑制苯环加氢和C-C键断裂等副反应。尽管钴基催化剂已在生物质和废塑料的加氢脱氧/氢解反应中展现出良好潜力，但如何构建具有紧密协同作用的金属Co与Lewis酸CoOx的多功能催化剂仍是当前催化剂设计的挑战。基于此，本研究提出了“逐步氢溢流”（stepwise hydrogen spillover）策略，通过在纯钴催化剂中引入易还原的铜，诱导还原过程中催化剂表面电子状态发生有利的动态演变。在该机制中，铜物种优先被还原为零价铜，其解离生成的活性氢通过第一次氢溢流将邻近钴氧化物部分还原为零价钴；随后，具有更强解离氢能力的零价钴接过氢溢流的“接力棒”，触发第二次氢溢流，最终形成以部分相变（hcp-Co0向fcc-Co0），fcc-Co⁰/CoOx为主导、富含氧空位的Co⁰/CoOx界面。该协同活性位点在氢气解离、底物吸附活化及界面氢传递等方面均表现出优异性能。相比于通过煅烧形成的完全相变为 fcc‑Co⁰ 的催化剂，尽管 fcc‑Co⁰ 展现出更优异的氢解离本征能力，但催化剂的高结晶度导致有效活性位点数量下降。通过逐步氢溢流（stepwise hydrogen spillover）实现的部分相变，在氢解本征能力与活性位点数量之间达到了理想的平衡。同时，所形成的低配位界面 CoOx 位点在 C-O 键活化及促进界面氢溢流方面具有优异的性能。此外，本研究结合原位红外光谱从分子层面揭示了 CuCo/CoOx 催化体系中 PET 氢解的作用机理。
该催化剂展现出优异的底物普适性与稳定性，可在温和条件下高效转化包括混合塑料及含添加剂PET在内的30余种实际聚酯废弃物，具备良好的抗毒化抗干扰能力。生命周期评估与碳足迹分析表明，该工艺在具有经济可行性的同时，展现出显著的碳减排潜力。综上所述，本工作通过“逐步氢溢流”（stepwise hydrogen spillover）机制创制了高效的CuCo/CoOx多功能催化剂，将废弃PET塑料高效氢解为对二甲苯，为废弃塑料的高值循环、先进多功能催化剂的设计提供了重要参考。
图2 逐步氢溢流（stepwise hydrogen spillover）示意图
该工作以“Stepwise Hydrogen Spillover–Engineered Synergistic Sites Enable Near-Quantitative Conversion of Waste PET to p-Xylene”为题，于2026年1月28日发表于《Nature Communications》。论文链接为：https://doi.org/10.1038/s41467-026-68990-4。前沿科学学院环境与健康研究院景亚轩助理教授和环境学院崔昕毅教授为共同通讯作者，环境与健康研究院硕士研究生倪雯怡和博士研究生冉宏顺为共同第一作者，该工作得到了物理学院缪峰教授、梁世军教授、单俊杰副研究员、环境学院刘蓓蓓教授、上海工程技术大学来壮壮副教授的指导与支持。该工作得到了国家自然科学基金（22572083）、中央高校业务费前沿交叉项目（491914380001），南京大学青年人才发展促进会交叉研究项目（491914380008）、水污染控制与资源绿色循环全国重点实验室和南京大学人才启动经费的资助，以及国家同步辐射实验室（NSRL）的重要支持。
