真變廢為寶！中國科學家發(fā)現(xiàn)塑料垃圾制備汽油新路徑，產(chǎn)率高達80%

我們在日常生活中隨處可見聚乙烯塑料，從輕便的購物袋到耐用的食品包裝袋，從時尚服飾到建筑材料，它的廣泛應(yīng)用極大地便利了人們的生活需要。與之相隨的，是一個不容忽視的問題——廢舊塑料對環(huán)境的污染。

人們對一次性塑料用品的使用依賴，導致大量廢棄聚乙烯塑料被丟棄在自然環(huán)境中，這些塑料廢棄物難以降解，它們在污染環(huán)境的同時還威脅著野生動植物的生存，甚至通過食物鏈間接影響著人類的健康。長此以往，會對土壤、水源和生態(tài)系統(tǒng)造成不容忽視的負面影響。

那么，如何才能實現(xiàn)對廢棄聚乙烯塑料的環(huán)?；厥蘸脱h(huán)利用呢？

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2024年4月9日，中國科學家在《自然-化學》（Nature Chemistry）雜志上發(fā)表了一篇關(guān)于循環(huán)利用聚乙烯制備高品質(zhì)汽油的文章，有望實現(xiàn)廢棄聚乙烯塑料的高效利用。

研究成果發(fā)表于《自然-化學》雜志。圖片來源：《自然-化學》雜志

從聚乙烯塑料到高品質(zhì)汽油的轉(zhuǎn)化

廢棄塑料的資源化利用，不僅可以解決環(huán)境污染問題，還能實現(xiàn)資源可持續(xù)發(fā)展。在廢棄塑料中，聚乙烯轉(zhuǎn)化難度很大，其非極性的“碳-碳鍵”在低溫條件下很難實現(xiàn)活化和斷裂。

目前，轉(zhuǎn)化聚乙烯的主要策略是在高反應(yīng)溫度（400℃以上）、貴金屬催化劑和外加氫源條件下實現(xiàn)，嚴格的反應(yīng)條件限制了工業(yè)化回收聚乙烯的應(yīng)用。

基于催化轉(zhuǎn)化聚乙烯面臨的問題，研究人員利用四丁基氫氧化銨（C16H37NO）作結(jié)構(gòu)導向劑，采用“一步水熱反應(yīng)”合成具有層狀自支撐結(jié)構(gòu)（LSP）的分子篩進行聚乙烯的催化轉(zhuǎn)化。

其中，結(jié)構(gòu)導向劑在晶體合成或生長過程中，通過在化學反應(yīng)中加入特定的配體或添加劑，引導分子組裝形成高度結(jié)晶化的有序結(jié)構(gòu)，具有理想的物理和化學性質(zhì)。層狀自支撐結(jié)構(gòu)（LSP）由陽離子與陰離子通過離子鍵結(jié)合形成，具有足夠的強度和穩(wěn)定性，無須額外支撐就可獨立存在。

介孔孔道介于微孔和大孔，孔徑大小在2-50Nm之間，具有高度有序的結(jié)構(gòu)和豐富的表面活性，對催化劑性能有著重要作用。層狀自支撐分子篩具有更大的比表面積和豐富的介孔孔道，在催化反應(yīng)中能使反應(yīng)物充分接觸催化劑，提高反應(yīng)速率。

與傳統(tǒng)分子篩材料相比，它具有獨特的自支撐結(jié)構(gòu)和更多的強路易斯酸位點。路易斯酸位點是一種化學物質(zhì)，能夠接受電子對特定位置（或區(qū)域），通過吸附和活化反應(yīng)物實現(xiàn)催化作用。分子篩中的強路易斯酸位點和其具備的形狀選擇性，在催化聚乙烯轉(zhuǎn)化時能夠發(fā)揮關(guān)鍵作用，因此，該層狀自支撐分子篩能更好的催化轉(zhuǎn)化聚乙烯。

催化劑的表征（a.高分辨透射電鏡圖；b.X射線衍射圖；c.氮氣吸脫附等溫圖；d,e.核磁表征結(jié)果；f,g.紅外表征結(jié)果）。圖片來源：參考文獻[1]

汽油主要由 C4-C12 范圍的碳氫化合物組成，是烷烴、烯烴和環(huán)烷烴混合物。辛烷值是衡量汽油在氣缸內(nèi)抗爆震能力的數(shù)字指標，通常用于評價車用汽油的性能，即汽油品質(zhì)的高低。

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實驗結(jié)果表明，該研究制備的層狀自支撐結(jié)構(gòu)分子篩（LSP-Z100）在 240℃溫度、無外加氫源的條件下，經(jīng)過4個小時就能實現(xiàn)從高密度聚乙烯到汽油的轉(zhuǎn)化，產(chǎn)率高達80%。通過檢測其液相產(chǎn)物，C4-C12 組分占比高達99%，支鏈烷烴占比72%，具有較高辛烷值（88.0），可媲美商業(yè)汽油辛烷值（86.6）。

以上結(jié)果表明，層狀自支撐結(jié)構(gòu)分子篩（LSP-Z100）具備能將聚乙烯催化轉(zhuǎn)化為高品質(zhì)汽油的可行性。該研究為解決廢棄聚乙烯塑料的環(huán)境污染問題，以及如何有效實現(xiàn)資源利用提供了新的思考路徑。

高密度聚乙烯在不同催化劑條件下的轉(zhuǎn)化率和產(chǎn)物收率。圖片來源：參考文獻[1]

當我們在思考廢棄塑料對環(huán)境造成的污染時，從自身點滴做起，就是環(huán)保貢獻的開始。

減少使用日常生活中不必要的塑料制品（比如一次性吸管、塑料袋和餐具），促進社會環(huán)保意識的提升。垃圾分類也是關(guān)鍵一環(huán)，將可回收塑料與其他垃圾分類處理，降低聚乙烯進入自然環(huán)境的機會，促進各類資源的循環(huán)利用。生態(tài)文明，人盡其責。

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參考文獻

[1] Cen, Z., Han, X., Lin, L. et al. Upcycling of polyethylene to gasoline through a self-supplied hydrogen strategy in a layered self-pillared zeolite[J]. Nature Chemistry, 2024.

[2] 謝煜斐,王琪,曾軍民,等.廢棄聚乙烯塑料回收再生應(yīng)用的研究進展[J].塑料科技, 2022.

[3] 張金慶,郭明,張遠文,等.廢聚乙烯塑料裂解制燃料的研究進展[J].石化技術(shù), 2022.

[4] Gautam K R .A Novel Process of Converting Polyethylene to Gasoline, Middle Distillate and Heavy Oil through Hydropyrolysis Route[J].International Journal of Energy Engineering, 2013.

策劃制作

出品丨科普中國

作者丨石暢 物理化學博士

監(jiān)制丨中國科普博覽

責編丨董娜娜

審校丨徐來 林林