聚酯是一类含有酯键的合成聚合物，年产量超过7000万吨，广泛应用于包装、瓶类和纺织品等领域。然而，大量聚酯塑料废物的积累已对环境、海洋生态系统和人类健康产生了深远影响。传统的聚酯化学解聚方法，如水解法、醇解法等，通常需要在强酸、强碱或高压条件下进行，这不仅导致反应器腐蚀、废水处理复杂，还带来较高的能源消耗。尽管近年来涌现出原位碱水解、溶剂辅助水解等新兴策略，但这些方法往往涉及碱性环境，需要后续中和处理，并使用混合溶剂，使得产物分离复杂化，工艺能耗强度增加。因此，开发能够在温和、无有机溶剂的近中性条件下实现选择性聚酯解聚的催化体系，成为该领域的迫切需求。

针对上述挑战，我院付少海教授、曹静静校聘副教授和德国马普研究所李小东博士合作开发了一种低成本、地球储量丰富的不饱和配位缺陷氧化锌纳米片催化剂，用于高效解聚各类聚酯废物。研究结果表明，该催化剂在中性水相条件、190°C下能够完全解聚聚对苯二甲酸乙二醇酯，对苯二甲酸选择性超过99%，时空产率比以往报道高出一个数量级。机械研究表明，催化剂中的缺陷结构增强了氧气和水分子的活化，生成亲核物种，通过羰基活化驱动酯键断裂。该策略的稳健性和可扩展性通过大规模闭环回收聚酯废物塑料得到了验证。生命周期评估和技术经济分析表明，该工艺在人类健康、生态系统质量、资源消耗和生产成本等多个指标上均展现出环境可持续性和经济可行性。相关论文以“Sustainable recycling of polyester wastes using a coordinatively unsaturated Zn catalyst”为题，发表在Nature Communications上。

图1.聚酯化学回收路线对比。(a)传统水解路线和(b)新兴水解路线。(c)本工作中的不饱和配位锌催化剂驱动的水解路线。

扫描电子显微镜图像显示，通过L-抗坏血酸辅助刻蚀策略合成的不饱和配位缺陷氧化锌纳米片保留了原始氧化锌纳米片的整体形貌和晶粒尺寸，但样品颜色从白色逐渐变为浅黄色，表明结构发生了变化。球差校正扫描透射电子显微镜揭示了缺陷氧化锌纳米片中存在局部无序的晶格区域，这与不饱和锌配位位点的存在一致。锌K边X射线吸收近边结构光谱显示，与锌箔和原始氧化锌相比，缺陷氧化锌的吸收边向较低能量移动，表明缺陷晶格中锌的氧化态较低。扩展X射线吸收精细结构分析证实，缺陷氧化锌中锌原子周围的局部配位环境保持Zn-O键合特征。电子自旋共振光谱显示，缺陷氧化锌相比原始氧化锌表现出显著增强的氧空位和锌空位信号，证实了L-抗坏血酸诱导的表面晶格缺陷的形成。

图2.催化剂的结构表征。(a, b)原始氧化锌和缺陷氧化锌结构的扫描电子显微镜图像。(c)缺陷氧化锌的球差校正扫描透射电子显微镜图像。(d)氧化锌、锌箔和缺陷氧化锌的归一化X射线吸收近边结构光谱。(e)氧化锌、锌箔和缺陷氧化锌的归一化傅里叶变换扩展X射线吸收精细结构光谱。(f)原始氧化锌和缺陷氧化锌结构的电子自旋共振曲线。

在催化性能评估中，研究发现反应气氛对产物选择性起着决定性作用。在氮气气氛下，原始氧化锌表现出极低的催化活性，PET转化率低于5%，对苯二甲酸选择性仅为0.7%。当氧气浓度从1%增加到10%时，副产物形成显著减少，对苯二甲酸选择性相应提高。在20%氧气/80%氮气或环境空气条件下，6小时内可实现PET完全解聚，对苯二甲酸收率达到99%。缺陷氧化锌相比原始氧化锌和商业氧化锌实现了更高的PET转化率和对苯二甲酸选择性，强调了缺陷位点功能在催化性能中的关键作用。研究还发现，一系列富缺陷金属氧化物的催化活性与金属离子的本征路易斯酸性呈强相关性，趋势为缺陷氧化锌>氧化镁>氧化钙>四氧化三钴>二氧化锰>三氧化二铁>四氧化三铁>氧化铝>二氧化钛>二氧化锆>五氧化二铌>二氧化铈>二氧化硅。

该催化剂展现出卓越的底物普适性。结构类似聚对苯二甲酸乙二醇酯的聚对苯二甲酸丁二醇酯和聚对苯二甲酸丙二醇酯被高效解聚为对苯二甲酸，收率超过99%。聚碳酸酯同样解聚为双酚A，收率超过99%。生物基聚酯如聚己内酯转化为6-羟基己酸，聚乳酸转化为乳酸，聚己二酸丁二醇酯和聚丁二酸丁二醇酯转化为1,4-丁二醇，收率均超过96%。在实际应用评估中，该系统成功实现了对含有常见包装塑料（聚乳酸、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯和聚氯乙烯）的混合体系中PET的选择性水解，对苯二甲酸收率超过98%。各类实际PET废物，包括透明和有色瓶子，以及含有染料、粘合剂和紫外线稳定剂等复杂添加剂的聚酯纺织品和混纺织物，均能高效解聚，对苯二甲酸收率超过98%。研究团队还成功进行了40克PET flakes的实验室规模化解聚，获得超过34.5克高纯度回收对苯二甲酸，并重新聚合成再生PET。催化剂表现出优异的稳定性和可回收性，在五个连续循环中保持高活性和选择性，电感耦合等离子体质谱分析证实无锌离子浸出。

图3.缺陷氧化锌催化聚对苯二甲酸乙二醇酯和实际聚酯废物的解聚。(a)不同反应条件下催化水解PET的产物选择性。条件：PET (1.0 g)，p-ZnO (10 mg)，N₂/O₂(1/0, 100/1, 10/1, 5/1, v/v, 0.1 MPa)或空气(0.1 MPa)，H₂O (8 mL)，190°C。(b, c)不同催化剂下催化水解PET的产物选择性。条件：PET (1.0 g)，催化剂(10 mg)，空气(0.1 MPa)，H₂O (8 mL)，190°C。(d)缺陷氧化锌与其他催化剂用于PET水解的活性比较。其他催化剂的活性值根据文献报道的催化剂用量计算。(e)聚酯废物水解中的产物选择性。条件：聚酯废物(PBT, PTT, PBAT, PBS, PBA, PCL, 1.0 g)，d-ZnO (10 mg)，H₂O (8 mL)，190°C，6小时。聚酯废物(PLA, PC, 1.0 g)，d-ZnO (10 mg)，H₂O (8 mL)，170°C，6小时。HHA: 6-羟基己酸；BPA:双酚A；LA:乳酸；BDO: 1,4-丁二醇。(f)混合聚酯废物水解的照片和产物选择性。条件：聚酯废物(1.0 g)，d-ZnO (10 mg)，H₂O (8 mL)，190°C，6小时。

为阐明反应机理，研究团队开展了系统的原位光谱研究和密度泛函理论计算。半原位电子自旋共振光谱显示，在空气气氛下随着温度升高，氧空位和锌空位的信号强度逐渐增加，表明氧气促进了缺陷氧化锌内部缺陷的生成。低温电子顺磁共振光谱显示，缺陷氧化锌在g=2.001处表现出显著的信号峰，归属于表面结合的O₃⁻物种，而商业氧化锌未检测到信号。原位衰减全反射傅里叶变换红外光谱显示，缺陷氧化锌表面的缺陷位点促进了界面水吸附和O-H键活化。密度泛函理论计算进一步揭示，缺陷氧化锌-锌空位上过渡态形成的活化能低至0.055 eV，远低于缺陷氧化锌-氧空位的0.89 eV和原始氧化锌的1.24 eV，凸显了缺陷结构在促进氧气和水分子活化路径中的优越活性。同步辐射原位红外光谱和模型化合物水解实验证实，酯C-O键的断裂是PET水解过程中的关键步骤，而缺陷位点通过协同活化氧气和水生成亲核物种，亲核进攻酯羰基碳，同时锌位点活化羰基氧，共同促进C-O键断裂。

图4.缺陷氧化催化PET解聚的机理研究。(a)空气气氛下不同温度中缺陷氧化锌的电子自旋共振谱图。(b) 180°C下N₂和空气气氛中缺陷氧化锌的电子自旋共振谱图。(c) 100 K下商业氧化锌和缺陷氧化锌的低温电子顺磁共振谱图。(d)空气气氛下H₂O到H₂O过程的原位衰减全反射红外光谱。(e)原始氧化锌、缺陷氧化锌-锌空位和缺陷氧化锌-氧空位上H₂O转化为H₂O的自由能谱图。(f)空气气氛下H₂O中Mode解聚的原位高温红外光谱。(g)原始氧化锌、缺陷氧化锌-锌空位和缺陷氧化锌-氧空位上Mode和EG的自由能谱图。

生命周期评估和技术经济分析进一步验证了该工艺的可持续性。在中国和欧洲情境下，该闭环回收工艺的全球增温潜势分别比石油基生产工艺低47.3%和7.2%，不可再生能源消耗分别低55.1%和45.5%。与甲醇解、水解和石油基生产工艺相比，除废水产生量与石油基工艺相似外，水解回收工艺在所有其他指标上均表现更优。技术经济分析表明，以PET废物和PET纺织废物为原料时，对苯二甲酸的最低销售价格分别为770美元/吨和470美元/吨，显著低于以纯净PET为原料的1,049美元/吨和传统路线的1,021美元/吨，展现了该技术在聚酯废物处理中的经济可行性和环境可持续性。

图5.闭环PET回收的生命周期评估和技术经济分析。(a)不可再生能源使用和(b)全球增温潜势的比较。(c)中国或欧盟回收路线与原生PET-中国或原生PET-欧盟路线的生命周期评估结果比较。(d, e)不同PET回收路线的不可再生能源使用和全球增温潜势比较。EU:欧洲，CN:中国，JP:日本。(f)基于纯净PET、废弃PET和纺织废物回收过程的成本贡献分析。(g)基于纯净PET、废弃PET和纺织废物的最低销售价格比较。

综上所述，这项研究开发了一种可扩展的聚酯及聚酯基混合物回收策略，利用缺陷氧化锌催化剂在中性反应介质和环境空气中实现了聚酯废物的高效解聚，时空产率比以往报道的催化剂高出一个数量级。该方法在各类消费后聚酯和混合塑料废物中展现出广泛的适用性，机械研究揭示了氧气和水在催化剂表面缺陷位点优先吸附活化生成亲核物种、进而促进酯C-O键断裂的分子机制。生命周期评估和技术经济分析共同证实，该方法相比石油基对苯二甲酸生产对人类健康、生态系统和资源消耗具有显著更低的环境影响，为塑料循环经济提供了一条节能、可扩展的解决方案，有望推动聚酯塑料废物管理走向可持续发展的道路。

论文第一作者为网赌app-在线赌博app 曹静静博士，通讯作者为付少海教授和曹静静校聘副教授。

作者简介

付少海，在线赌博app 教授，博士生导师，主要研究方向为生态染整技术、功能纤维材料、军事伪装与防护纺织品及其应用。入选国家级人

才，主持和承担了十三五重点研发计划项目、国家自然科学基金项目、省部级项目十余项。相关成果获中国纺织工业联合会科技进步一等奖、安徽省科学技术奖一等奖、江苏省科学技术二等奖、中国纺织工业联合会技术发明一等奖等科研奖励。

曹静静，在线赌博app 校聘副教授，硕士生导师，主要研究方向为典型废塑料循环/升级回收、废旧纺织品循环回收。主持科技部重点研发计划子课题、国家自然科学基金、中国博士后科学基金面上项目、中央高校科研专项基金等项目，与多家企业就光动力纤维及面料的研发建立了长期合作关系。以第一/通讯作者身份在Nature Communications、Angew. Chem. Int. Ed.、ACS Nano等期刊发表论文13篇，申请发明专利多项。

论文信息：

Sustainable recycling of polyester wastes using a coordinatively unsaturated Zn catalyst

Jingjing Cao,* Huaxing liang, Wei Chen, Xiaodong Li,* and Shaohai Fu*

Nat Commun (2026).

论文链接为//doi.org/10.1038/s41467-026-71862-6