近日从中国科学技术大学获悉，该校曾杰教授课题组在塑料循环升级领域取得突破性进展。据了解，研究人员设计出一种“氢呼吸”策略，在无需额外添加氢气或溶剂的情况下将高密度聚乙烯塑料转化为高附加值的环状烃类，为废弃塑料的“人工碳循环”提供了新方法。研究成果日前发表于国际权威学术期刊《自然·纳米技术》。

一、“白色污染”问题，迫在眉睫

实际上，有着“白色污染”之称的废弃塑料并非全无是处。为“化腐朽为神奇”，中国科大研究团队把目光投向了五大通用塑料之一——聚乙烯。

研究中，聚乙烯的结构特点成为了关键“突破口”。由于聚乙烯的“骨架”由碳原子相连而成，稳定性很高，难以自然降解。不过同时，聚乙烯和石油具有相似的化学结构与组成。

于是，科大研究团队大胆猜想，能否利用绿色催化转化的方式，把废弃聚乙烯当成是一种“固体石油”原料，借鉴石油化工的技术，用以合成石油的下游化学产品呢？

“如果这个猜想成立，不仅可以有效降解废弃塑料，减轻对环境的污染，还能高效升级塑料中储量较大的碳资源。”曾杰介绍。

二、巧妙设计动态“氢呼吸”策略降本又节能

石油工业中的两个过程引起了研究人员的注意。一个是短链的汽油馏分催化重整得到更高附加值的环状烃，这个过程会产生氢气；另一个是重质油加氢裂化制备短链烃，这个过程会消耗氢气。

在这两个过程的启发下，研究人员设计出了一种“氢呼吸”策略用以降解高密度聚乙烯塑料。他们开发出一种新型催化剂——分子筛负载金属钌催化剂，可以一边让塑料成环脱氢变成环状烃，“呼”出氢气，一边又让塑料 “吸”入其自身释放的氢气，并裂解变成短链烃。

高密度聚乙烯塑料在催化剂的作用下降解示意图高密度聚乙烯塑料在催化剂的作用下降解示意图

“‘加氢裂化’是一个重要的石油加工过程。不过这一过程重需要消耗大量氢气，而氢气本身非常昂贵。此外，现有的制氢工艺还会造成碳排放。”曾杰说，他们研究出的“氢呼吸”策略，将“催化重整过程中产生氢气，加氢裂化过程中消耗氧气”二者串联，利用聚乙烯自身的氢原子替代外加的氢气，在不使用外加氢气的条件下，实现废弃聚乙烯塑料的循环升级。“这一策略不仅降低成本，而且节能减排，从而实现氢元素的‘自产自销’。

三、精准裁剪制成“环状烃”

要实现动态“氢呼吸”策略，找到合适的催化剂是关键。

研究人员立即想到对烷烃有高脱氢活性的金属钌。但实验结果表明，对烷烃催化脱氢效果出色的钌却在聚乙烯上栽了跟头，设想中“呼”出氢气的碳骨架环化过程并没有发生，只生成了极少量的烯烃，说明仅依赖钌无法让塑料实现动态的“氢呼吸”。

曾杰提出酸性位点可以促进烯烃环化成环状烃。研究人员在原有钌催化剂中引入了具有酸性位点的分子筛作为载体。他们发现，这种新型催化剂可以使聚乙烯顺利发生脱氢环化，并释放出氢气，引发后续的加氢裂化过程。

在分子筛负载的钌催化剂作用下，废弃聚乙烯塑料逐渐被降解。

当研究人员选择不同孔道尺寸的分子筛进行催化反应时，他们发现，孔道过小会使生成的环状烃被卡在孔道中间堵住孔道，使反应中断。而选择孔道入口较宽的分子筛进行催化反应时，由于其孔道过大，对聚乙烯分子的束缚能力较弱，导致大量聚乙烯分子未被有效裁剪就脱出。

为此，研究人员精心挑选具有合适孔道大小的分子筛，既能使聚乙烯分子在孔道中被精准剪裁成环状烃，又不会使产物阻塞孔道，从而有效促进聚乙烯塑料的循环升级。

最终，在分子筛负载钌催化剂的作用下，经过24小时催化反应，高密度聚乙烯塑料的转化率达到69.6%。其中，主要降解产物是液体环状烃。

曾杰介绍，环状烃是高附加值的化工品之一，可以作为合成药物、染料、树脂和纤维的原材料，用途广泛。

此外，研究人员还发现，无论用聚乙烯的粉末、保鲜膜还是塑料瓶，都可以达到同样的循环升级效果。

中国科学院院士、中国科学院化学研究所研究员韩布兴评价道：“这项工作将废弃聚乙烯塑料这类环境污染物用于制备石油基化学产品，为废弃塑料的‘人工碳循环’提供了新方法，为石油的部分替代提出了新思路。”

“未来，我们将开发不含贵金属钌的催化剂，降低催化剂成本，同时引入自然界体量较大且廉价易得的共反应物，进一步提高产物的价值。”曾杰说。

文章来源： ​中国科学报，江淮晨报，新华网