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马丁/王野/段昊泓/黄文裕等人探讨：塑料分解与高值化利用的催化研究

2024-11-13 06:27

来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

原创 Cell Press CellPress细胞科学

物质科学

Physical science

塑料废弃物的激增已成为当下最为紧迫的环境挑战之一。传统的塑料处理方式，如填埋与焚烧，已经给环境带来了严重的危害，而机械回收方法往往只能得到应用有限的低质材料。近年来，催化科学领域的最新进展推动了塑料聚合物的高效分解和升级回收。

Cell Press细胞出版社旗下期刊Cell Report Physical Science有幸邀请到北京大学的马丁教授、厦门大学的王野教授、美国普林斯顿大学的Michele L. Sarazen教授、澳大利亚新南威尔士大学的Cyrille Boyer教授、美国橡树岭国家实验室的Tomonori Saito、清华大学的段昊泓副教授和美国爱荷华州立大学的黄文裕教授等七位学者联合就“Catalysis for plastic deconstruction and upcycling”这一主题介绍研究进展，共同探讨如何通过催化转化应对塑料危机。

*以下是对各位作者文章中核心段落的摘录

塑料废弃物的催化转化：机遇与挑战

马丁

北京大学

与小分子反应不同，塑料的聚合物结构是设计反应路径时的重要挑战。对于结构较为规整的聚酯类塑料，通过水解或醇解等初级解聚方法即可得到低聚物或单体。针对这些单体（如PET塑料中的乙二醇和对苯二甲酸）设计反应路径，我们可以实现多种升级回收过程。将已知的小分子反应应用于塑料转化方面的研究在目前文献报道中占有主导地位。

然而，科学家应超越将现有反应简单应用于塑料单体的思路。真正重要的过程可能在于打破聚合物的结构而非仅仅考虑降解过后单体的转化。这同时也带来了新的机遇与挑战。例如，通过从解聚得到的单体进行催化升级的反应，我们还可以进一步探索化学键转化的机制和结构与活性之间的关系。更重要的是，我们应该超越先转化为单体的范式，利用塑料的聚合物结构（例如空间效应）在解聚过程中实现选择性生成不同的产物。

基于沸石基催化剂的塑料升级回收

王野

厦门大学

精确切割或重构聚烯烃、聚酯和聚酰胺中的关键C–X键（X=C、O或N）对于将塑料回收成化学原料（包括烯烃和芳烃）和液体燃料（如汽油、喷气燃料和柴油）至关重要。沸石作为一类具有可调节酸度和多孔结构的多功能材料，不仅可以通过催化裂解或溶解过程切断C–C/C–O键，还能通过聚合、异构化、环化和芳构化等方式促进C–C键的偶联与重构。这些特性使沸石成为塑料升级回收中的理想催化剂或催化剂组分。

沸石的酸性特性，包括Brønsted酸位的强度和密度以及Brønsted /Lewis酸位的比例，是决定塑料转化效果的关键。沸石的形状选择性可以限制反应物进入活性位点的能力，并控制中间体、过渡态或产物的形成，从而达到调控目标产物的选择性。

借鉴既有认知，探索多样化原料的转化之路

Michele L. Sarazen

普林斯顿大学

将高分子量碳氢化合物（如聚烯烃）催化降解为目标产物已成为应对塑料废弃物的一项有前景的策略。目前，学术界和工业界的研究人员正探索多种方法，其中一些在此前已应用于不同的原料，包括用于煤炭和生物质的热/催化裂解，以及在石油和天然气行业长期用于生产更清洁、高效燃料的催化氢解和加氢裂解。将这些方法应用于塑料聚合物时，我们不应抛弃此前对于催化剂和工艺优化的知识积累，正如我们不应随意丢弃那些塑料瓶一样。相反，我们应着重研究其不同之处：固态聚合物或聚合物熔体与固态催化剂的接触，以及这种接触带来的更为极端的传质限制。

光催化：塑料回收与升级新范式

Cyrille Boyer

新南威尔士大学

虽然传统的化学回收可以实现解聚，但通常耗能较高且可能产生不良副产物。相比之下，光催化作为一种利用光驱动化学反应的过程，为聚合物的增值利用提供了一个具有前景的可持续替代方案。光催化在温和条件下操作，且有可能利用丰富的太阳光，不仅能够将聚合物解聚为其单体，还能将其受控降解为有价值的小分子。这些进展为塑料的循环经济做出了贡献，减轻了塑料废弃物对环境的负担，并提供了一种比传统方法更环保、更节能的方式。

例如，从聚苯乙烯和聚甲基丙烯酸甲酯等聚合物中工业回收的单体，通常依赖于热解聚过程。此过程常需要高于聚合物上限温度（即解聚热力学上有利的温度）的高温，进而导致大量能耗和可能的副产物生成。然而，集成光催化剂（如碳量子点）可增强解聚的选择性。通过在量子点颗粒周围产生局部热量，这些反应减少了活性自由基的浓度，从而减少了副产物的生成。

设计用于塑料解构与升级回收的多功能有机催化剂

Tomonori Saito

橡树岭国家实验室

田纳西大学

在各种工程塑料中，通过逐步聚合法（step-growth polymers）合成的如聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚碳酸酯（PC）、聚氨酯（PU）和聚酰胺（PA）（年产量合计1.28亿公吨）最适合进行化学分解，因为它们大多含有易裂解的羰基键。

大多数通过逐步聚合法合成的高分子可通过糖酵解、醇解或氨解进行解构，但这些分解反应需要通过设计好的催化剂来加速。有机催化剂可以选择性地裂解聚合物骨架中的羰基键，并体现出多种优势，如良好的选择性、热稳定性、低挥发性、可回收和不易燃烧。相较于传统的有机碱、酸或金属基催化剂，基于质子型离子盐（PIS）或离子液体（IL）的有机催化剂在高温下不易失活或降解，是逐步增长聚合物解构的理想催化体系。

塑料废弃物电催化升级回收的挑战与机遇

段昊泓

清华大学化学系

现实中的塑料废弃物不可避免地含有杂质（如添加剂、染料和其他物质等），这些杂质可能会妨碍处理效率并降低塑料升级回收终产物的数量和质量。因此，开发一类更具抗杂质能力的反应系统在实践尤为重要。另一种缓解这一抗杂质需求的策略是开发一种经济上可行的技术，从塑料废料原料和最终产品中去除杂质。此外，许多现有技术侧重于单一塑料的选择性升级回收，但应对来自现实废弃物中的混合塑料是必不可少的。

因此，能够在无需繁琐且昂贵的分拣过程下实现混合塑料电催化升级回收的创新性研究十分必要。未来的机遇可能在于：（1）开发多功能电催化剂，例如多功能氧化还原介质，能够在单一过程内同时升级回收多种类型的塑料；（2）合理设计串联系统，能够按顺序回收不同的塑料；以及（3）结合成熟的热催化或生物降解技术，将混合塑料转化为小分子后再进行电催化转化。

聚烯烃升级回收催化剂与催化工艺开发中的挑战与前景

黄文裕

美国能源部艾姆斯国家实验室

爱荷华州立大学

开发一种选择性转化聚烯烃的新化学策略需要对聚烯烃分解过程有基本的理解。简单烷烃和聚烯烃的C–C键裂解方面存在相似之处，之前已有许多关于通过氢解和加氢裂解催化裂解简单烷烃C–C键的研究。例如，烷烃的氢解通常被认为先经历脱氢步骤，然后进行C–C裂解。裂解的碎片在活性位点上氢化并从中解吸，形成更小的烷烃。

人们认为聚烯烃的氢解也遵循相同的路径，但事实上情况要复杂得多，因为反应物并不是简单而明确的小分子。相反，聚烯烃是由分子量从几千到几百万不等的分子组成的混合物。随着反应物体积的大幅增加，仅考虑特定C–C键与催化活性位点的相互作用已不足以理解反应机制。相反，聚合物与载体之间虽弱但不可忽视的相互作用使催化过程更加复杂，也为控制催化过程提供了新的机会。