從微小的吸管到大型汽車(chē)部件，塑料制品廣泛應(yīng)用于日常生活。全球累計(jì)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，自然分解時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)數(shù)百年，造成廢棄塑料在環(huán)境中的持續(xù)積累，對(duì)人類(lèi)健康和生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成嚴(yán)峻威脅。
另外，塑料生產(chǎn)過(guò)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”的背景下，如何在維持塑料產(chǎn)品供應(yīng)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)低碳甚至零碳排放，成為了一個(gè)亟待解決的重要科學(xué)問(wèn)題。
記者今日獲悉，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(duì)在廢棄碳資源塑料和二氧化碳的高價(jià)值利用上取得重要進(jìn)展。研究人員構(gòu)建了沸石-金屬氧化物多相催化體系，通過(guò)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(yàn)證等手段，闡釋了芳構(gòu)化-氫捕獲的反應(yīng)機(jī)理。
圖說(shuō)：聚乙烯和二氧化碳耦合高價(jià)值利用的機(jī)理闡釋和構(gòu)建的催化體系處理消費(fèi)后聚乙烯的能力 采訪(fǎng)對(duì)象供圖
相關(guān)成果近日發(fā)表在國(guó)際權(quán)威期刊《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）上。
石油基塑料因其短流通壽命和難降解性，導(dǎo)致了塑料廢物的大量積累，對(duì)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€(gè)潛在的碳?xì)漭d體。然而，聚乙烯主鏈的高解離能和C-C鍵斷裂的不可預(yù)測(cè)性，使得其轉(zhuǎn)化過(guò)程產(chǎn)生多種復(fù)雜的產(chǎn)品。芳香烴，包括單環(huán)芳香烴，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(lài)于石腦油的重整過(guò)程。富氫PE的芳構(gòu)化涉及氫轉(zhuǎn)移和析氫反應(yīng)。這些反應(yīng)會(huì)引發(fā)二次反應(yīng)，如長(zhǎng)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。二氧化碳作為一種可用的廢棄碳源，其轉(zhuǎn)化過(guò)程通常需要大量的氫氣。
因此，研究者提出關(guān)鍵問(wèn)題：二氧化碳的轉(zhuǎn)化能否與聚乙烯的芳構(gòu)化過(guò)程有效耦合，以減少氫氣消耗并提升芳烴產(chǎn)品的產(chǎn)率？
據(jù)介紹，通過(guò)原位的氫氣程序脫附、二氧化碳原位吸附紅外、13C同位素標(biāo)記和模型反應(yīng)物的驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)CO2通過(guò)原位消耗聚乙烯芳構(gòu)化過(guò)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(chǔ)氫池”，CuZnZrOx充當(dāng)“CO2加氫池”的機(jī)制。
這項(xiàng)研究演示了一個(gè)芳香化-氫捕獲的耦合過(guò)程，在多功能ZEO-OX催化劑上將PE和CO2轉(zhuǎn)化為有價(jià)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(diǎn)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62.5wt%。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。
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記者丨郜陽(yáng)
來(lái)源丨新民客戶(hù)端
編輯丨錢(qián)夢(mèng)童
編審丨戴琪
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