王敏 中青报 中青报记者 王海涵 王雷

小到一根吸管，大到一辆汽车，人们的生活离不开塑料。 然而，塑料的大规模生产给自然界带来了问题，解决“白色污染”问题迫在眉睫。

近日，中国科学技术大学曾杰教授研究团队在塑料回收升级领域取得突破——设计“吸氢”策略，将高密度聚乙烯塑料转化为塑料，无需添加氢气或溶剂。 高附加值环烃为废塑料“人工碳循环”提供了新方法。 6月26日，研究成果发表在国际学术期刊《自然·纳米技术》上。

院士、石油化工专家何明远教授认为，“这项工作巧妙地将炼油工业中催化重整和加氢裂化两个工艺的基本原理结合起来，实现了一条新路线。塑料降解与氢的平衡。科学技术的重大突破。”

大胆猜测：聚乙烯塑料相当于“固体石油”？

聚乙烯塑料是五种通用塑料之一。 它是由乙烯分子相互连接组成的长链聚合物，每个链节都是由乙烯分子组成的。 其骨架由碳原子连接，非常稳定，不易自然降解。

一般情况下，人们通过焚烧或填埋的方式处理废弃聚乙烯塑料。 焚烧过程会产生大量二氧化碳和有毒气体，填埋则需要数千年才能降解。 考虑到聚乙烯与石油具有相似的化学结构和成分，曾杰等人大胆推测是否有可能直接将聚乙烯视为一种“固体石油”，利用石油化工技术合成石油下游化工产品呢？

曾杰介绍，“如果猜想成立，不仅可以有效降解废旧塑料，减少环境污染，还可以高效升级塑料中储量巨大的碳资源。” 在这项研究中，研究人员首先关注了石油加工中的一个重要过程——加氢裂化，它可以将长链重油裂化以获得短链石油产品，例如汽油、煤油和柴油。

参考该方法，研究人员以聚乙烯为原料进行加氢裂化实验，成功将其转化为汽油馏分的链烃产品，进一步证实聚乙烯相当于“固体石油”。

“正如‘加氢裂化’字面意思，这个过程需要消耗大量的氢气，而氢气本身就非常昂贵。此外，现有的氢气生产工艺也会造成碳排放。” 曾杰表示，他们从改进工艺入手，尝试在不使用氢气的情况下实现废旧聚乙烯塑料的回收升级。

动态“氢呼吸”新型催化剂的开发

催化重整是石油加工中的另一重要方法，可将轻质汽油馏分转化为富含芳烃的高辛烷值汽油，或苯、甲苯、二甲苯等化工原料，并产生氢气。

氢气在催化重整过程中产生并在加氢裂化过程中消耗。 如果将这两个过程串联起来，应用到聚乙烯的降解上，就相当于让塑料脱氢成环烃“呼出”氢气，同时又让塑料“吸收”氢气，裂解成短链。

曾杰介绍，“这一策略利用聚乙烯自身的氢原子替代外部氢，不仅降低了成本，而且节能减排，实现‘自产自销’氢元素。”

最重要的是，这一过程还能破坏聚乙烯中稳定的碳骨架，使分子链段变短，得到的产品是环烃，比链烃具有更高的价值。

要实现动态“氢呼吸”策略，寻找合适的催化剂是关键。 研究人员立即想到了对烷烃具有很高脱氢活性的金属“钌”。 然而实验结果表明，对烷烃具有优异催化脱氢效果的钌在聚乙烯上却“步履蹒跚”。 设想的“呼出”氢气的碳骨架环化过程并没有发生，只产生了极少量的烯烃。 说明仅仅依靠金属钌并不能让塑料实现动态“呼吸氢”。

因此，曾杰提出酸性位点可以促进烯烃环化为环烃。 研究人员在原始金属钌催化剂上引入了带有酸性位点的分子筛作为载体。 他们发现这种新型催化剂可以顺利地使聚乙烯脱氢环化，释放氢气，并成功启动后续的加氢裂化过程。

未来催化剂成本将降低

在分子筛负载钌催化剂的作用下，废旧聚乙烯塑料逐渐降解。 当研究人员选择不同孔径的分子筛进行催化反应时，如果孔径太小，生成的环烃就会卡在孔的中间，堵塞孔，使反应中断。 相反，当选择孔径入口较宽的分子筛进行催化反应时，由于其孔径过大，与聚乙烯分子的结合能力较弱，导致大量聚乙烯分子出来而没有被有效切割。 。

为此，研究人员精心挑选了孔径合适的分子筛，不仅可以使聚乙烯分子被精确切割成孔隙中的环烃，而且可以防止产物堵塞孔隙，从而有效促进回收升级进程聚乙烯塑料。 。

最后，在分子筛负载的金属钌催化剂的作用下，经过24小时的催化反应，高密度聚乙烯塑料的转化率达到了69.6%。 其中，主要降解产物为液态环烃。

曾杰表示：“环烃是高附加值化学品之一，可作为药物、染料、树脂和纤维合成的原料，用途广泛。我们将开发催化剂，不含贵金属钌，降低催化剂成本，并引入尺寸较大且廉价易得的共反应物，进一步提高了产品的价值。” （视频由中国科学技术大学制作）