近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)曾杰教授課題組在塑料循環(huán)升級(jí)領(lǐng)域取得突破性進(jìn)展。研究人員設(shè)計(jì)出一種“氫呼吸”策略，在無(wú)需額外添加氫氣或溶劑的情況下，將高密度聚乙烯塑料轉(zhuǎn)化為高附加值的環(huán)狀烴類，為廢棄塑料的“人工碳循環(huán)”提供了新方法。研究成果日前發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然·納米技術(shù)》上。

聚乙烯塑料是五大通用塑料之一，穩(wěn)定性很高，難以自然降解。通過焚燒或填埋處理廢棄的聚乙烯塑料會(huì)造成大氣、土壤和水源污染。考慮到聚乙烯和石油具有相似的化學(xué)結(jié)構(gòu)與組成，曾杰等人大膽猜想——能否直接把聚乙烯當(dāng)成一種“固體石油”，借鑒石油化工的技術(shù)，用以合成石油的下游化學(xué)產(chǎn)品？

(資料圖片)

此次研究中，研究人員首先把目光聚焦到石油加工的一個(gè)重要過程——加氫裂化，它可以將長(zhǎng)鏈段的重質(zhì)油裂解，從而得到短鏈的油品，如汽油、煤油和柴油等。研究人員參照該方法，以聚乙烯為原料進(jìn)行加氫裂化實(shí)驗(yàn)，并順利轉(zhuǎn)化為汽油餾分的鏈狀烴產(chǎn)品，進(jìn)一步證實(shí)聚乙烯就相當(dāng)于“固體石油”。

“正如‘加氫裂化’字面上的意思，這個(gè)過程需要消耗大量氫氣，而氫氣本身非常昂貴。此外，現(xiàn)有的制氫工藝還會(huì)造成碳排放。”曾杰說，進(jìn)一步地，他們從改進(jìn)工藝著手，試圖在不使用氫氣的條件下，實(shí)現(xiàn)廢棄聚乙烯塑料的循環(huán)升級(jí)。

催化重整是石油加工過程中另一種重要的手段，可以將輕汽油餾分轉(zhuǎn)變成富含芳烴的高辛烷值汽油，或者苯、甲苯以及二甲苯等化工原料，并產(chǎn)生氫氣。

催化重整過程中產(chǎn)生氫氣，加氫裂化過程中消耗氫氣。如果將這兩個(gè)過程串聯(lián)并應(yīng)用于聚乙烯降解，就相當(dāng)于一邊讓塑料成環(huán)脫氫變成環(huán)狀烴“呼”出氫氣，一邊讓塑料“吸”入氫氣裂解變成短鏈。

曾杰介紹，“這一策略利用聚乙烯自身的氫原子替代外加的氫氣，不僅降低成本，而且節(jié)能減排，從而實(shí)現(xiàn)氫元素的‘自產(chǎn)自銷’”。最重要的是，在這個(gè)過程中還可以打破聚乙烯中穩(wěn)定的碳骨架，使分子鏈段變短，而且得到的產(chǎn)物是環(huán)狀烴，相比鏈狀烴具有更高的價(jià)值。

要實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)“氫呼吸”策略，尋找一種合適的催化劑是關(guān)鍵。曾杰提出“酸性位點(diǎn)可以促進(jìn)烯烴環(huán)化成環(huán)狀烴”。研究人員在原有的金屬釕催化劑上引入了具有酸性位點(diǎn)的分子篩作為載體。他們發(fā)現(xiàn)，這種新型催化劑可以使聚乙烯順利發(fā)生脫氫環(huán)化過程，并釋放出氫氣，順利引發(fā)后續(xù)的加氫裂化過程。

在分子篩負(fù)載的釕催化劑作用下，廢棄聚乙烯塑料逐漸被降解。最終，經(jīng)過24小時(shí)的催化反應(yīng)，高密度聚乙烯塑料的轉(zhuǎn)化率達(dá)到%，其中主要降解產(chǎn)物是液體環(huán)狀烴。環(huán)狀烴是高附加值的化工品之一，可以作為合成藥物、染料、樹脂和纖維的原材料，用途廣泛。

“未來(lái)，我們將開發(fā)不含貴金屬釕的催化劑，進(jìn)一步降低催化劑成本，同時(shí)引入自然界體量較大且廉價(jià)易得的共反應(yīng)物，不斷提高產(chǎn)物價(jià)值。”曾杰說。

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