桌上放着一个矿泉水瓶，没有人会停下来多看一眼。

塑料无处不在，以至于我们不会记起这枚轻若无物的“小透明”，实际上来自亿万年前的太阳——在远古的地壳深处，生命残骸历经高温与高压的熬煮，炼成黑色的石油；又历经新一轮高温与高压的重组，化作透明的塑料瓶，学名“聚对苯二甲酸乙二醇酯”，英文名PET。

如果，桌上的这个矿泉水瓶，并不来自石油，而是来自一棵庄稼地里残留的秸秆呢？会不会有人停下来多看一眼？

最近，西湖大学人工光合作用与太阳能燃料中心孙立成实验室完成了一项技术突破：他们设计出一种新型催化剂，能将一种从植物中提取的糖衍生物，转化为全新的“绿色塑料”。

想象一棵秸秆，带着它那经由太阳、雨水和大地滋养的糖类物质，没有遇见高温，更没有遇见高压，只是温和地穿过了科学家的电催化装置，就奇迹般地变成了一种全新的分子。这种分子与乙二醇聚合，得到一种全新的塑料，学名“聚呋喃二甲酸乙二醇酯”，英文名PEF。

从PET到PEF，一字之差的背后，科学家究竟发现了什么隐藏密码，最终打开了反应原料、能量、产物全部来自天然的绿色化工新思路？

高自旋三人行：西湖大学讲席教授、西湖大学人工光合作用与太阳能燃料中心主任孙立成为通讯作者（中），2022级博士生李佳轶为第一作者（右），助理研究员曹兴博士为第二作者（左）。相关成果以“High-Spin Cobalt Oxyhydroxide Enhancing Electrocatalytic Oxidation of 5-Hydroxymethylfurfural to FDCA”为题，于近日发表于Angewandte Chemie International Edition。

一粒糖做成的塑料

我们把刚才想象的由秸秆参与的化学反应，抽象成下面这张实验图。接下来的描述会有一点专业，如果你也读不顺溜这些化学分子的学名，可以用括号里的英文名替代。

类似的实验装置（仅用于辅助理解）

装在右边瓶子里的，是参与反应的“原料”，叫5-羟甲基糠醛（HMF）。你可以把它“简化”成一杯糖水，从颜色上看也很像一杯红糖水。HMF是一种能从葡萄糖、果糖等天然糖类中脱水得到的物质，这些糖类广泛来源于玉米、甘蔗、秸秆等生物质。

由这两个瓶子组成的装置，就是电催化装置，里面夹着一片科学家制备好的新型催化剂。HMF在右边瓶子里面经过转化和分离，就可得到2,5-呋喃二羧酸（FDCA）。将FDCA与乙二醇聚合，可以得到PEF。

课题组给这种全新的塑料想了很多种定语：“下一代塑料”“绿色塑料”“生物基塑料”……

“用植物制造塑料”这一概念，其实早已进入公众视野。自本世纪初全球“限塑”浪潮兴起以来，市场上便陆续出现了宣称“玉米淀粉基”“PLA可降解”的购物袋与餐盒。许多所谓的“生物塑料”并非100%源于植物，在生产过程中仍可能采用石油基原料；部分生产工艺路线在现阶段仍存在能耗较高等问题，距离实现真正的绿色可持续发展尚有改进空间。

PEF就不一样了，它代表着一条更彻底的绿色路径。其最根本的优势在于原料100%来自生物质，完全摆脱了对石油的依赖，并具有生物降解性。如果使用太阳能、风能等清洁能源发电，整个制造过程几乎都是绿色环保的。而且从材料的结构看，PEF还具有比PET更好的阻隔性和机械性能，用来装可乐应该更不容易跑气吧。

让来自大地的，重归大地——这正是一种真正“从摇篮到摇篮”的塑料。

要知道，目前工业上转化HMF的主要方法还是热催化氧化。就像做一锅爆米花，借助催化剂和氧气的合力，在高温高压的条件下把HMF“炸”成FDCA。这个过程存在明显短板：能耗大、碳排放高。

在孙立成实验室里，2022级博士生李佳轶做了很多个像图中这样的简易反应装置，只需通电，“糖水”里的水提供氧，“糖水”里的“糖”（HMF）就能慢慢地在阳极氧化为FDCA。

对，此时反应效率还是慢慢的。

李佳轶相信，思路是对的。挑战在于，要怎么加快？

“自旋”加速

提升反应效率需要催化剂，而试催化剂的方法，类似“开盲盒”。

那段时间，李佳轶围着“钴”打转。这是一种被过去许多实验证明好用的催化剂成分，他的任务是找到合适的材料与钴结合，让HMF转化成FDCA的速度更快、效率更高。

在试了十几二十种不同的材料后，李佳轶终于开到了“隐藏款”盲盒——钼酸钴。用它来做催化剂的前驱体，测出来的效果最好。

好到什么程度？

在钼酸钴的参与下，FDCA的产率接近99%，电子的利用效率也接近99%——这意味着几乎每一度电都用在了合成FDCA的“刀刃上”，几乎没有产生其他“副产物”。而且，连续进行30次循环反应，催化剂的表现依然稳定。

紫色这一层就是钼酸钴

但这仅仅是现象，一个看上去很完美的结果。

导师孙立成认为，李佳轶的挑战只能算完成了一小半，更关键的是要搞清楚为什么会这样。

他们通过一系列实验方式，包括电子顺磁共振、X射线光谱表征、电化学测试等等，发现了一种过去没有见过的现象——当催化剂中的钴离子呈现低自旋态，反应效率就低；当钴离子呈现高自旋态，反应效率就高。

当氧化HMF的反应开始，钼酸钴在强碱性条件下，生成了富含高自旋钴的羟基氧化钴（h-CoOOH），高自旋钴占比达到28.3%，氧化HMF的表现远优于l-CoOOH的活性；相比之下，用其他材料制作的催化剂，只能生成不到10%的高自旋钴。

就像一群士兵。低自旋态的士兵，被罩上了一件紧身衣，转不起来，行动能力大打折扣；而一个个处于高自旋态的钴，没有这层紧身衣的束缚，化身一个个氧化HMF的“超级战士”，随时准备大展拳脚。

在孙立成教授的指导下，李佳轶进一步通过实验证实，导致高自旋、低自旋这两种不同形态的原因，源自他“开盲盒”开出来的钼酸钴。

我们将视角缩小到原子的层面：当反应发生，钼酸钴里的钼慢慢溶解、留出空位，这就导致原本围绕在钴周围的氧原子队列扭曲，形成氧空位和局部结构畸变。正是这种“混乱”局面，松开了束缚住低自旋钴的那件紧身衣，让它们进入了高自旋态。

“我们不仅造出了更好的催化剂，还说清楚了它为什么好。”孙立成认为，这项研究工作的重要意义，在于清楚揭示了自旋态调控在优化电子结构与催化活性中的关键作用，“未来的催化剂设计不能只看‘表面’——成分、形貌、比表面积，我们必须深入到电子结构层面，去调控自旋、轨道、电荷分布，才能真正实现‘精准催化’。”

还有更多的可能性

李佳轶的实验，还有一个意料之外的收获。

当阳极氧化出FDCA的同时，旁边的阴极从水里生产出氢气。也就是说，他们用一杯糖水，实现了一边用糖制造绿色塑料，一边用水生产清洁能源。

“将HMF电氧化与产氢耦合，有一箭双雕之妙，它让原本昂贵的绿氢生产变得更加经济，也让生物质转化更具吸引力。”孙立成说，传统电解水制氢的阳极反应（水氧化）慢、耗能高；而用HMF氧化替代水氧化，可以在更低电压下完成反应，大幅降低整体能耗。

在中国的农村，秸秆焚烧长期映照着城市与乡村、传统与现代的冲突：庄稼收完了，留在地里的秸秆怎么办？

这项在实验室里被验证成功的技术突破，让我们距离真实世界中“用糖做塑料”又近了一步。

未来，秋收后广袤的田野上，农民不再焚烧秸秆，而是将它们送往生物炼制厂，转化为HMF；再通过电催化，变成FDCA，最后聚合为生物可降解的PEF塑料瓶等。整个过程，能源来自风电或光伏，副产品是氢气，成为电动汽车的能源。

“温和”，是孙立成在描述这项工作时，经常提到的词。

温和，意味着可以在常温常压下发生反应；温和，意味着无毒无害无副作用；温和，意味着我们不再依赖地层深处被压缩的远古太阳，而是充分拥抱那每一天的、照耀着田野的、崭新的太阳。

也许有一天，在这里积累的经验，还可以迁移到更宏大的能源转化反应中去，去突破人工光合作用的技术瓶颈，去找到“向太阳要能源”的钥匙。

这是科学的魅力，在最微小的尺度上，解决最宏大的问题。

来自孙立成实验室的这项研究，从一个看似冷门的属性——“自旋态”出发，撬动了绿色塑料、清洁能源、可持续制造的未来。

他们没有改变世界，但他们改变了改变世界的方式。

下一次当你拧开一瓶矿泉水，这瓶子也许曾是一棵农作物秸秆、一粒糖，被轻轻一推，走进了未来。