直接催化塑料废物升级再造 – Nature Nanotechnology

根据国际自然保护联盟（IUCN）最近发布的一份文件，每年至少有14万吨塑料最终流入海洋，威胁海洋生态系统、食品安全和经济活动¹。减轻海洋塑料对环境影响的方法包括减少使用、重复使用和回收。然而，在每年生产的 400 亿多吨塑料中，只有 9% 被回收利用²，通常采用传统的机械或热解方法，必然导致产品价值低于原始塑料，或者以热量形式回收能量效率低下³。近年来，由于其潜在的环境和经济效益，将废塑料直接催化转化为增值燃料、化学品和材料正受到越来越多的关注。

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直接升级回收塑料废物的一种常见方法是将其解聚成增值单体或低聚物（或其衍生物），而不进行后续转化。催化剂的设计决定了产品及其分布。例如，通过在中孔底部结合催化铂位点的有序中孔壳/活性位点/核心催化剂结构，高密度聚乙烯（HDPE）可以选择性地氢解成窄分布的柴油和润滑油范围的烷烃⁴。此外，HZSM-5 沸石上的钌纳米粒子催化 HDPE 的溶剂/无氢升级循环为可分离的线性分布（C₁-C₆）和环烃（C₇-C₁₅）（参见 文章 杜及其同事在本期中）。

直接产生增值产品的另一个令人兴奋的策略是通过解聚塑料废物并同时对所得粗产品进行功能化。通过将芳构化和氢解与铂/氧化铝催化剂相结合，可以在相对温和的操作条件下从聚乙烯生产芳香族表面活性剂⁵。此外，通过去饱和链的部分脱氢和串联乙烯醇分解，可以从废级聚乙烯中选择性生产丙烯，收率高达80%⁶.

在解聚过程中引入杂原子和卤素也有助于增值产品的形成。例如，气态烃产品可以通过氧化途径直接转化聚乙烯来制备。硝酸处理将聚乙烯转化为有机酸（琥珀酸、戊二酸和己二酸），然后可以通过光催化或电催化转化为烯烃⁷。此外，在可见光照射下，石墨氮化碳光催化剂实现了聚苯乙烯氧化升级为芳香族含氧化合物。聚苯乙烯在90℃时转化率可达150%以上，在液相中主要得到苯甲酸、苯乙酮和苯甲醛⁸.

还有各种其他间接的塑料升级再造方法，其中废塑料首先解聚成单体、低聚物或其衍生物，然后在热、电、光或化学作用下进一步转化为高价值化学品。生物催化条件。这种升级回收路线是间接的，因为它经过单独的单体生成步骤，与直接升级回收相比，它可能会对环境影响和工艺的经济性产生负面影响⁹.

商用塑料通常是包含聚合物和小分子添加剂的成分或配方的混合物。分子特性和排列（支化和/或交联程度）、结晶度和分子量等关键因素决定了聚合物的物理化学性质和化学键的可及性，从而影响催化的效率和选择性塑料解构方法论¹⁰。定量比较针对不同化学成分和物理结构的不同原料开发的催化剂和工艺、聚合物基材的物理性质、其化学成分和结构（单体特性、分子量分布、熔点和结晶度），如应严格报告反应条件（pH、温度、底物负载、搅拌速率等）。报告文献中的这种计量对于协调该领域的进展并帮助以有意义的方式解决塑料污染问题至关重要。