塑料制品廣泛應(yīng)用于日常生活，從微小的吸管到大型汽車部件。全球累計塑料產(chǎn)量已達(dá)近100億噸，然而，目前只有大約10%的塑料被有效回收。由于塑料的高化學(xué)穩(wěn)定性，其自然分解時間可長達(dá)數(shù)百年，造成廢棄塑料在環(huán)境中的持續(xù)積累，對人類健康和生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成嚴(yán)峻威脅。此外，塑料生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的二氧化碳排放量巨大，在追求“碳中和”和“碳達(dá)峰”的全球背景下，如何在維持塑料產(chǎn)品供應(yīng)的同時實現(xiàn)低碳甚至零碳排放，成為了一個亟待解決的重要議題。
鑒于此，華東師范大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院趙晨教授研究團(tuán)隊在廢棄碳資源塑料和CO2的高價值利用上取得重要進(jìn)展。構(gòu)建了沸石-金屬氧化物多相催化體系，通過芳構(gòu)化-氫捕獲機(jī)制耦合轉(zhuǎn)化廢棄聚乙烯與CO2為芳烴和CO。綜合多種原位表征、同位標(biāo)記、模型物的驗證等手段，闡釋了芳構(gòu)化-氫捕獲的反應(yīng)機(jī)理。相關(guān)研究以 Coupled conversion of polyethylene and carbon dioxide catalyzed by a zeolite–metal oxide system 為題，于2024年4月12日發(fā)表于 Science Advances。
Science Advances刊發(fā)華東師大趙晨教授研究團(tuán)隊科研成果
石油基塑料因其短流通壽命（通常少于10年）和難降解性，導(dǎo)致了塑料廢物的大量積累，對環(huán)境構(gòu)成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。特別是廢棄的聚乙烯（PE），由于其豐富的碳?xì)浜浚灰暈橐粋€潛在的碳?xì)漭d體。然而，聚乙烯主鏈的高解離能（約372 kJ/mol）和C-C鍵斷裂的不可預(yù)測性，使得其轉(zhuǎn)化過程產(chǎn)生多種復(fù)雜的產(chǎn)品。芳香烴，包括單環(huán)芳香烴（CnH2n-6，n≥6），是制造燃料添加劑、合成聚合物和表面活性劑的關(guān)鍵中間體，其傳統(tǒng)生產(chǎn)途徑依賴于石腦油的重整過程。富氫PE的芳構(gòu)化(有效H/C=2.0)涉及氫轉(zhuǎn)移和析氫反應(yīng)(圖1，途徑1)。這些反應(yīng)會引發(fā)二次反應(yīng)，如長鏈烷烴多次加氫裂化為氣態(tài)小烷烴和芳烴前體烯烴的加氫(圖1，途徑2)。二氧化碳（CO2）作為一種可用的廢棄碳源，其轉(zhuǎn)化過程通常需要大量的氫氣。因此，研究者提出關(guān)鍵問題：二氧化碳的轉(zhuǎn)化能否與聚乙烯的芳構(gòu)化過程有效耦合，以減少氫氣消耗并提升芳烴產(chǎn)品的產(chǎn)率？
圖1. 芳構(gòu)化反應(yīng)中沸石表面H物種的轉(zhuǎn)移途徑。
圖2. 聚乙烯和CO2耦合高價值利用的機(jī)理闡釋和構(gòu)建的催化體系處理消費后聚乙烯的能力
通過原位的氫氣程序脫附、CO2原位吸附紅外、13C同位素標(biāo)記和模型反應(yīng)物的驗證，發(fā)現(xiàn)CO2通過原位消耗聚乙烯芳構(gòu)化過程中產(chǎn)生的活性氫物種，有效的提高了芳烴的產(chǎn)率。并闡明了催化體系的構(gòu)效關(guān)系，即HZSM-5充當(dāng)“儲氫池”，CuZnZrOx充當(dāng)“CO2加氫池”的機(jī)制。
此項研究演示了一個芳香化-氫捕獲的耦合過程，在多功能ZEO-OX催化劑上將PE和CO2轉(zhuǎn)化為有價值的芳香烴和CO。根據(jù)催化和表征結(jié)果，闡明了CO2介導(dǎo)的氫捕獲途徑。在該機(jī)制中，HZSM-5酸位點PE芳構(gòu)化產(chǎn)生的氫遷移到鄰近的CuZnZrOx氫受體池中進(jìn)行二氧化碳還原。一次防止了二次反應(yīng)，如芳香族前體烯烴的加氫和氫解。在溫和條件下(380℃)，CO2轉(zhuǎn)化率可達(dá)1.5 mmol gPE?1(20 bar CO2)，芳烴收率最高為62.5 wt %。芳構(gòu)化與氫捕獲的耦合機(jī)理為富氫聚烯烴和貧氫CO2廢棄物資源的轉(zhuǎn)化和循環(huán)利用提供了新的思路。
該工作由華東師范大學(xué)趙晨教授團(tuán)隊完成。華東師范大學(xué)田井清副研究員和馬冰副研究員為論文的共同通訊作者，華東師范大學(xué)劉洋洋博士為論文第一作者。該項研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委、上海市科委和國家自然科學(xué)青年基金的資助。
附：
論文鏈接：https://doi.org/10.1126/sciadv.adn0252
來源｜化學(xué)與分子工程學(xué)院、科技處 編輯｜沈韻婷 編審｜郭文君
