CCS Chemistry | 浙江大学李正龙团队：聚乙烯废塑料光催化氧化解聚为脂肪族长链二元羧酸

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近日，全球的聚乙烯（PE）年产量达8300万吨，是最广泛使用的塑料之一。聚乙烯废塑料长期积累对环境构成严重威胁。本研究展示了一种在可见光照射下，利用BiOI/BiVO4 p-n异质结材料催化氧化聚乙烯(PE)以生成价值较高的脂肪族二元酸(C4-C30)的方法。该方法在温和条件下实现了高达83%的碳产率，并且通过优化异质结的组成及反应条件，最终长链二元酸(C10-C30)的产率可提升至75%。作者还探讨了反应温度、时间、空气压力以及催化剂在多次循环使用后的稳定性对光催化氧化PE的影响。并通过使用多种技术手段解析了反应机制：超氧自由基(•O2-)负责激活PE主链中的C-H键，而羟基自由基(•OH)则切断C=C键。此外，光催化升级过程对于日常生活中使用的各种商业PE都表现出了显著的效率。该光催化系统为PE废物的高效循环利用提供了一种具有前景的方法。

图1. 本文提出的聚乙烯废塑料光催化氧化解聚为二元羧酸示意图

背景介绍：

随着塑料废物量的持续增加，如何高效循环利用塑料成为了一个严峻的环境问题。尤其是聚乙烯（PE）这类塑料，由于其稳定性和耐久性，环境中的降解速度非常慢，对生态系统构成了长期威胁。目前，关于塑料尤其是聚乙烯的化学回收方法存在一些局限性，例如需要高能耗的过程和产生的二次污染问题。为了解决上述问题，科学家们正在寻找更为环保且能耗更低的塑料回收方法。光催化系统由于其使用可再生的太阳能作为能源，以及相对较低的操作条件，成为了一个有吸引力的选择。近年来，光催化系统在塑料废物的降解和回收方面取得了一些进展，研究者们希望通过自由基等活性物种来模拟自然界的降解机制，从而实现对聚烯烃废物的绿色回收。BiOI/BiVO4 p-n异质结材料因其稳定性和非毒性而被提出用作光催化剂。本研究中，研究者们开发了这种材料，并成功在温和条件下通过可见光照射实现了聚乙烯的光催化氧化。本研究在寻找环保、低能耗的塑料回收技术的大环境下，通过利用BiOI/BiVO4 p-n异质结材料的光催化性能，实现对聚乙烯废物高效转化为价值更高的化学品的研究。

图2. 本催化体系与已有方法的比较

本文亮点：

本工作成功实现了聚乙烯（PE）在温和条件下通过BiOI/BiVO4 p-n异质结光催化氧化为高价值的脂肪族二元酸（C4-C30），碳收率高达83%。特别是长链二元酸（C10-C30）的碳收率达到了75%。

图3.（a）PE在不同催化剂上的反应结果，（b）PE分子量，（c）二元羧酸，（d）一元羧酸产物分布随时间的变化。

光催化氧化过程中，超氧自由基（•O₂⁻）和羟基自由基（•OH）发挥了关键作用，分别活化了PE主链中的C-H键和氧化断裂C=C键，最终将PE转化为二元酸产品。

图4. 提出反应机理

该催化体系可以将大多数从商业PE氧化解聚为二羧酸，二羧酸的碳产率在59%到64%之间，且检测到产物中存在少量的支链烷烃和环烷烃结构。该光催化系统在处理商业PE废料时表现出优异的稳定性，表明其在实际应用中的潜力。

图5. 纯净的PE颗粒和生活中常见的PE废塑料的光催化氧化解聚反应结果

总结与展望：

开发绿色化学方法以高效回收废旧聚烯烃对于减少碳排放和支持可持续发展至关重要。通过将PE转化为有价值的化学品（长链二元羧酸），可以实现废塑料的增值利用，为生产生物可降解聚合物、润滑剂和表面活性剂等提供原料。本研究提出的光催化氧化方法在温和条件下进行，显著降低了传统方法所需的能量和资源投入，有望推动了聚烯烃废塑料回收技术的发展。

文章详情：

Photocatalytic oxidation of polyethylene to dicarboxylic acid over BiOI/BiVO4 p-n heterojunction under visible light

Dawang Chu, Jiali Weng, Xu Liu, Hongkun Wang, Yanran Cui, Lei Nie* and Zhenglong Li*

Cite this by DOI: 10.31635/ccschem.025.202405274

文章链接：https://doi.org/10.31635/ccschem.025.202405274

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原标题：《CCS Chemistry | 浙江大学李正龙团队：聚乙烯废塑料光催化氧化解聚为脂肪族长链二元羧酸》

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