近日，中國科學技術(shù)大學曾杰教授課題組在塑料循環(huán)升級領(lǐng)域取得突破性進展。研究人員設(shè)計出一種“氫呼吸”策略，在無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)表在國際學術(shù)期刊《自然·納米技術(shù)》上。

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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結(jié)構(gòu)與組成，曾杰等人大膽猜想——能否直接把聚乙烯當成一種“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產(chǎn)品？

此次研究中，研究人員首先把目光聚焦到石油加工的一個重要過程——加氫裂化，它可以將長鏈段的重質(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，以聚乙烯為原料進行加氫裂化實驗，并順利轉(zhuǎn)化為汽油餾分的鏈狀烴產(chǎn)品，進一步證實聚乙烯就相當于“固體石油”。

“正如‘加氫裂化’字面上的意思，這個過程需要消耗大量氫氣，而氫氣本身非常昂貴。此外，現(xiàn)有的制氫工藝還會造成碳排放?！痹苷f，進一步地，他們從改進工藝著手，試圖在不使用氫氣的條件下，實現(xiàn)廢棄聚乙烯塑料的循環(huán)升級。

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。如果將這兩個過程串聯(lián)并應(yīng)用于聚乙烯降解，就相當于一邊讓塑料成環(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，從而實現(xiàn)氫元素的‘自產(chǎn)自銷’”。最重要的是，在這個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值。

要實現(xiàn)動態(tài)“氫呼吸”策略，尋找一種合適的催化劑是關(guān)鍵。曾杰提出“酸性位點可以促進烯烴環(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小時的催化反應(yīng)，高密度聚乙烯塑料的轉(zhuǎn)化率達到69.6%，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，我們將開發(fā)不含貴金屬釕的催化劑，進一步降低催化劑成本，同時引入自然界體量較大且廉價易得的共反應(yīng)物，不斷提高產(chǎn)物價值?！痹苷f。（記者丁一鳴 通訊員王敏）

編輯：王韻

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