編輯總結(jié)
將塑料分解為其原始構(gòu)件是一種理想的回收策略，理論上是可行的。然而，實(shí)際上，對(duì)于目前使用的兩種最常見的塑料——聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP），這種方法并不可行，因?yàn)榉磻?yīng)的能量要求過(guò)高。最近，幾組研究人員展示了引入新鮮的乙烯與合適的催化劑可以將聚烯烴轉(zhuǎn)化為丙烯，但用于催化的貴金屬價(jià)格過(guò)于昂貴。Conk等人現(xiàn)在報(bào)告說(shuō)，使用更豐富的地球資源的鎢氧化物和鈉的組合，這一過(guò)程同樣有效。——Jake S. Yeston
研究背景
隨著塑料廢物在填埋場(chǎng)和環(huán)境中的積累問(wèn)題日益嚴(yán)重，如何有效回收和再利用塑料材料引起了廣泛關(guān)注。聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）作為最常見的塑料，約占所有聚合物樹脂生產(chǎn)的57%，它們的回收難度較大，主要由于它們的化學(xué)結(jié)構(gòu)特性。這些鋁烯烴幾乎只包含C–H和C–C鍵，對(duì)幾乎所有化學(xué)轉(zhuǎn)化反應(yīng)均表現(xiàn)出惰性，導(dǎo)致它們?cè)诃h(huán)境中是最持久的廢棄塑料之一。目前的塑料回收方法普遍存在選擇性低、溫室氣體排放量大或依賴昂貴的一次性催化劑等問(wèn)題。熱裂解和催化熱裂解已被提出作為將聚烯烴轉(zhuǎn)化為碳?xì)浠衔锏氖侄危@類方法通常會(huì)產(chǎn)生大量甲烷，從而加劇溫室氣體排放。此外，這些方法的產(chǎn)品分布對(duì)廢物組成、反應(yīng)器設(shè)計(jì)和熱傳遞極為敏感，常常需要復(fù)雜的后處理過(guò)程。 為了解決上述問(wèn)題，研究者們探索了新的催化途徑。例如，異構(gòu)化烯烴化（IE）作為一種能夠?qū)⒉伙柡途巯N轉(zhuǎn)化為丙烯和異丁烯的潛在方法，然而目前仍需依賴昂貴的貴金屬催化劑和不飽和聚烯烴。針對(duì)這一挑戰(zhàn)加州大學(xué)伯克利分校John F. Hartwig教授以及Alexis T. Bell教授等在“Science”期刊上發(fā)表了題為“Polyolefin waste to light olefins with ethylene and base-metal heterogeneous catalysts”的最新論文。科學(xué)家提出了一種新方法，采用鎢氧化物和鈉的組合催化劑，成功實(shí)現(xiàn)了在320°C下將PE和PP轉(zhuǎn)化為丙烯及其混合物，且產(chǎn)率超過(guò)90%。本研究旨在解決聚烯烴轉(zhuǎn)化過(guò)程中選擇性和催化劑成本的問(wèn)題。通過(guò)開發(fā)基于鎢氧化物和γ相鋁土礦上鈉的異構(gòu)化烯烴化催化體系，研究人員不僅提高了轉(zhuǎn)化效率，還避免了脫氫步驟，降低了溫室氣體排放。這一創(chuàng)新方法不僅具有環(huán)境可持續(xù)性，也為聚烯烴的高效回收提供了新的技術(shù)路徑，展示了其在未來(lái)塑料回收領(lǐng)域的重要應(yīng)用潛力。
研究亮點(diǎn)
（1）實(shí)驗(yàn)首次實(shí)現(xiàn)了聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）的選擇性轉(zhuǎn)化，得到了丙烯和異丁烯，產(chǎn)率超過(guò)90%。該過(guò)程使用了鎢氧化物/二氧化硅（WO3/SiO2）和鈉/γ相鋁土礦（Na/γ-Al2O3）兩種催化劑，且無(wú)需對(duì)起始聚烯烴進(jìn)行脫氫。 （2）實(shí)驗(yàn)通過(guò)串聯(lián)催化裂解和異構(gòu)化烯烴化（CIE）的方法，實(shí)現(xiàn)了聚烯烴的有效轉(zhuǎn)化。反應(yīng)在320°C下進(jìn)行，顯示出良好的催化活性和選擇性，避免了傳統(tǒng)方法中產(chǎn)生的大量甲烷，從而減少了溫室氣體排放。此外，這一方法簡(jiǎn)化了產(chǎn)品的分離過(guò)程，因?yàn)椴辉傩枰嘿F的貴金屬催化劑，且催化劑的回收利用得到了有效驗(yàn)證，為大規(guī)模應(yīng)用提供了可能。
圖文解讀
圖3：聚烯烴的串聯(lián)催化裂解和異構(gòu)化烯烴化實(shí)驗(yàn)（CIE）。圖4: 機(jī)制、催化劑再利用及規(guī)模放大。
結(jié)論展望
本文探索了聚烯烴（聚乙烯和聚丙烯）轉(zhuǎn)化為高需求輕烯烴的有效路徑，尤其是在可持續(xù)性和經(jīng)濟(jì)性方面的創(chuàng)新。當(dāng)前，塑料廢物的累積已經(jīng)成為全球性環(huán)境問(wèn)題，而傳統(tǒng)的化學(xué)回收方法常常面臨選擇性低和高能耗的挑戰(zhàn)。研究者們通過(guò)使用鎢氧化物和鈉的組合催化劑，實(shí)現(xiàn)了在無(wú)需脫氫的情況下高效轉(zhuǎn)化聚烯烴，產(chǎn)率超過(guò)90%。這一方法不僅降低了催化劑成本，還避免了產(chǎn)生溫室氣體的副產(chǎn)品，為塑料回收提供了一種新思路。此外，通過(guò)串聯(lián)催化裂解和異構(gòu)化烯烴化的技術(shù)，進(jìn)一步提高了反應(yīng)的選擇性和效率，使其適用于多種聚烯烴的混合物。這些創(chuàng)新表明，開發(fā)基于豐富金屬催化劑的回收技術(shù)，有望在塑料廢物管理和資源循環(huán)利用方面取得重大進(jìn)展，為未來(lái)的環(huán)保材料和化學(xué)品生產(chǎn)鋪平了道路。通過(guò)這樣的研究，我們不僅能減少塑料對(duì)環(huán)境的影響，還能有效利用資源，推動(dòng)循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。 Richard J. Conk et al. ,Polyolefin waste to light olefins with ethylene and base-metal heterogeneous catalysts.Science385,1322-1327(2024).DOI:10.1126/science.adq7316
