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浙江大學王勇教授團隊 Angew:老樹開新花 - 塑料降解耦合費托過程實現(xiàn)聚烯烴低溫高效制輕芳烴
2025-03-22  來源:高分子科技

  全球每年產生超過3.6億噸塑料垃圾,其中約79%最終被填埋或流入自然界,不僅對土壤和海洋造成嚴重污染,還可能以微塑料的形式威脅人類健康。傳統(tǒng)的塑料處理方式,如焚燒,不僅碳排放高,而且經濟性效益低。尤其是最常見的聚烯烴塑料(如聚乙烯、聚丙烯),由于其高度穩(wěn)定的化學結構,在熱裂解或氫解后通常只能得到一系列碳鏈分布廣泛的混合烷烴/烯烴,難以實現(xiàn)高附加值利用。


  將廢舊聚烯烴高效轉化為輕芳烴(BTX)不僅能精準控制產物分布,還可大幅提高產品附加值,使產物重新進入芳烴循環(huán),延長材料的生命周期。然而,傳統(tǒng)芳構化工藝(如石腦油催化重整)通常需要高于500℃的高溫,能耗高,還會導致聚烯烴不可控的自由基裂解。因此,開發(fā)一種低溫高效的催化轉化策略,打破聚烯烴的惰性化學鍵,實現(xiàn)選擇性芳構化,成為塑料資源化利用的關鍵挑戰(zhàn)。


圖1. 廢舊聚乙烯的回收路線對比及大宗化學品及其下游產品的產量分析


  近期,浙江大學的王勇教授團隊創(chuàng)新性地提出了一條全新的反應路徑:在合成氣氣氛中,采用Ru/Nb2O5和ZSM-5催化體系,將PE的傳統(tǒng)裂解與費托合成的關鍵步驟CO插入機制相結合。在低至280℃的溫和條件下,即可使輕芳烴的收率達到到67%。其中,CO的插入作用至關重要,它能夠介導聚烯烴裂解過程中形成的Ru-alkyl物種,促進活性含氧化合物和烯烴中間體的生成,同時精準調控碳鏈長度。這一過程不僅降低了后續(xù)芳構化反應的能壘,還顯著提高了芳烴選擇性,實現(xiàn)了聚烯烴的高效、低溫升級轉化。該工作以“Efficient Upcycling of Polyolefin Waste to Light Aromatics via Coupling C-C Scission and Carbonylation”為題發(fā)表在《Angewandte Chemie International Edition》上(10.1002/anie.202424334)。文章第一作者是浙江大學博士生高瑞良博士。該研究得到國家自然科學基金委的支持。


圖2. PE的低溫高效芳構化


  本工藝巧妙結合了Ru基催化劑與ZSM-5催化劑的協(xié)同作用,實現(xiàn)高效的低溫催化聚烯烴升級轉化。同位素標記實驗驗證了CO插入的反應機理。此外,我們發(fā)現(xiàn),在聚乙烯(PE)存在的條件下,CO的消耗速率顯著提升,這歸因于反應熱力學的優(yōu)化。具體而言,CO插入Ru-alkyl的活化能降低至1.14 eV,有效繞過了傳統(tǒng)費托合成中的緩慢誘導期,大幅提升了反應效率,實現(xiàn)了更高效的聚烯烴升級轉化。


圖3. CO在PE降解過程中的參與


  該低溫芳構化工藝在技術經濟分析中展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢:
  • 應用廣泛:不僅適用于商用廢舊聚乙烯,還可以拓展至聚丙烯和聚苯乙烯等聚烯烴,實現(xiàn)更廣泛的塑料升級回收;
  • 經濟效益高:即便在無政府補貼的情況下,盈虧平衡點僅為3500ton,靜態(tài)投資回收期僅為3.6年,具備較強的市場競爭力;
  • 節(jié)能減排:與傳統(tǒng)工藝相比,碳排放降低約三分之一,有助于推動綠色可持續(xù)發(fā)展。

圖4. 該催化體系的應用性、套用性和技術經濟分析評估


  本研究創(chuàng)新性地提出了一種低溫催化聚烯烴轉化為輕芳烴的新路徑。通過引入合成氣,將廢舊聚烯烴的降解過程與現(xiàn)有的石化及煤化工產業(yè)鏈深度融合,不僅為費托合成等關鍵C-C偶聯(lián)工業(yè)過程提供了全新的視角,也為解決塑料垃圾治理和碳資源循環(huán)利用提供了一種切實可行的技術方案。


  原文鏈接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/anie.202424334

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(責任編輯:xu)
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