北京納米能源所王中林院士、陳翔宇研究員/上海師大卞振鋒教授AM：實現高效、環保方式回收黃金

電子垃圾的急劇增加使貴金屬的選擇性回收成為一項緊迫的可持續性挑戰。傳統的濕法冶金方法（如王水浸出）雖然具有較高的產量，但伴隨有氮氧化物排放和嚴重的腐蝕性風險，因此催生了對更環保化學方法的需求。TiO2光催化碘化法浸出有效減輕了這些危害，但其量子效率受到快速電子-空穴復合的限制。接觸電催化（CEC）通過無電壓驅動的界面電場，可以延長載流子的壽命，但到目前為止，還沒有一種材料平臺將CEC和光催化結合在一個單一的、穩定的界面內。

為解決這些問題，北京納米能源與系統研究所陳翔宇研究員和其團隊，提出了一種通過使用低溫共燒技術合成的有機-無機復合微球催化劑，其表面同時暴露了TiO2和PTFE活性位點，從而實現了接觸-電催化與光催化的雙重協同反應。與具有類似重量的原始TiO2催化劑相比，這種復合微球催化劑從電子廢棄物中提取金的效率提高了十倍。這種混合界面改變了能帶結構，延長了載流子壽命，并提高了界面反應活性。密度泛函理論（DFT）計算進一步表明，水中的電荷從PTFE轉移到TiO2，隨后轉移到TiO2中，PTFE和TiO2之間的有利能量帶對齊確保了高效的載流子跳躍和增強的光催化活性。這種基于有機-無機微球催化劑的復合催化策略可以拓展到諸如廢水處理、有機合成以及工業廢棄物再利用等領域。相關工作以“Largely Enhanced Photocatalysis by Contact-Electro-Catalysis for Efficient and Eco-Friendly Recovery of Gold”為題，發表于國際知名期刊《Advanced Materials》。中科院北京納米能源與系統研究所博士生李曉亮和余澤陽為論文的共同一作，中科院北京納米能源與系統研究所王中林院士、上海師范大學卞振鋒教授、中科院北京納米能源與系統研究所陳翔宇研究員是該論文的通訊作者。

具體而言，這種有機-無機復合的CE-PhC微球催化劑具有以下優點：

1.成功合成了尺寸在5至30 μm之間的 CEC-PhC 復合微球，其有機-無機復合界面能夠調節能帶結構并提高催化效率。

2.開發了一種高效、環保的貴金屬回收技術，該技術通過碘化物浸出途徑溶解黃金，避免了使用傳統的強氧化系統。定量比較表明，TiO2/PTFE系統的溶解速率比單獨的TiO2高一個數量級。通過控制合成過程，可以使催化劑浮在溶液表面，從而提高反應效率，并簡化回收流程。

3.通過密度泛函理論模擬，構建了一個詳細的微觀物理模型，并定量計算了水（H2O）、聚四氟乙烯（PTFE）和二氧化鈦（110）之間的能帶結構及其相互關系。結果表明，在固-液界面產生的摩擦電電子由于強吸電子的氟基團的作用，被吸引到聚四氟乙烯內的局域態勢阱中。此外，在有機-無機復合界面處，外部超聲波驅動這些電子從聚四氟乙烯內的局部勢阱轉移到二氧化鈦的導帶中，闡明了相應的能量轉移機制。

圖1. 從電子廢棄物中綜合提取黃金的流程及反應速率圖。

通過結合光催化和接觸電催化（CEC）技術，這種新方法能顯著提高從電子廢料中提取金的效率。首先，催化材料通過與水接觸，利用超聲激發生成電荷，這些電荷在材料表面相互作用，增強了金的溶解過程。隨著紫外線照射，金屬與溶液中的碘化物反應，形成金碘化物，從而加速金的回收。這一過程不僅比傳統方法更高效，而且在相同質量催化劑下，金的溶解速度比使用TiO2催化劑時提高了約十倍。這種復合材料的獨特優勢在于它能夠結合兩種不同催化機制，從而提高了金的回收效率，展示了其在綠色冶金和資源回收中的巨大潛力。

圖2. 電子轉移方向的密度泛函理論計算及原理演示圖。

通過理論計算，我們揭示了水分子與PTFE和TiO2表面之間的電子轉移過程。當水分子接觸到PTFE時，電子被PTFE表面捕獲，并沿著界面傳遞到TiO2，這一過程顯著提高了TiO2的光催化性能。這種電子流動確保了更高效的電子遷移，優化了催化反應的效率，為設計更高效的光催化材料提供了理論依據。

圖3. 親疏水性界面下AIMD模擬結果及材料性質表征圖。

通過進一步的分子動力學模擬，我們對比了親水性和疏水性界面上的氧氣演化反應，結果顯示，PTFE的疏水性表面能有效優化水分子在界面上的分布。這種結構變化減少了水分子對反應的干擾，促進了自由基的生成，從而顯著提升了催化反應的速率。模擬結果表明，PTFE材料在調節水界面的微環境方面起到了關鍵作用，進一步提高了金的溶解和回收效率。

圖4. TiO2/PTFE的電子顯微鏡圖像及相關的表征圖。

通過掃描電鏡和能譜分析，我們觀察到TiO2納米顆粒均勻分布在PTFE表面，形成了穩定的復合材料。這種結構不僅保證了TiO2和PTFE的緊密結合，還優化了材料的電子傳輸性能。進一步的X射線衍射和光電子能譜分析表明，復合材料具有較好的穩定性和高效催化活性，特別是在金回收反應中，表現出顯著的提升效果。

圖5. 復合微球催化劑的材料特性及合成示意圖。

在合成過程中，通過低溫共燒工藝將TiO2和PTFE等接觸電催化材料結合，成功制備了具有異質結構的復合微球。這一過程不僅確保了TiO2與PTFE的緊密結合，還通過優化表面結構，增強了電子的傳輸效率。通過這種方法，我們獲得了更高催化效率和穩定性的復合微球催化劑，為金屬回收和綠色冶金提供了新的技術路徑。

結論：

在這項研究中，該催化劑能夠將光催化與機械能轉換（CEC）相結合，從而顯著提高光催化過程的效率，能夠實現各種高效的光催化反應，包括從電子廢棄物中回收顆粒物。這些復合微球的表面同時暴露了來自二氧化鈦和聚四氟乙烯的活性位點，從而形成一種將接觸起電與光催化相結合的雙重協同機制。使用Au/SiO2進行的對比催化實驗表明，在等量催化劑質量的情況下，TiO2/PTFE復合微球催化劑的碘介導金浸出效率大約是原始TiO2的十倍。此外，該催化劑在十次金浸出循環中表現出優異的穩定性和可重復使用性，證實了其實際可行性。這項研究將光催化與CEC結合，提出了一種高效且可持續的貴金屬回收及綠色冶金策略，為大規模資源回收與清潔制造提供了新動力。

https://doi.org/10.1002/adma.202514244