曾杰（中）等人在调试催化剂反应装置。
高密度聚乙烯塑料在催化剂作用下降解示意图。
中国科大曾杰教授。
小到一根吸管，大到一辆汽车……现如今人们的生活已经离不开塑料，不过解决“白色污染”问题仍迫在眉睫。6月27日，记者从中国科学技术大学获悉，该校曾杰教授课题组在塑料循环升级领域取得突破性进展。研究人员巧妙设计出一种“氢呼吸”策略，可以低成本、低排放地将高密度聚乙烯塑料转化为高附加值的可以合成药物、染料、树脂和纤维的原材料，这为废弃塑料的“人工碳循环”开辟了新路径。
大胆猜想将聚乙烯塑料当作“固体石油”
实际上，有着“白色污染”之称的废弃塑料并非全无是处。为“化腐朽为神奇”，中国科大研究团队把目光投向了五大通用塑料之一——聚乙烯。
研究中，聚乙烯的结构特点成为了关键突破口。由于聚乙烯的“骨架”由碳原子相连而成，稳定性很高，难以自然降解。不过同时，聚乙烯和石油具有相似的化学结构与组成。
于是，科大研究团队大胆猜想，能否利用绿色催化转化的方式，把废弃聚乙烯当成是一种“固体石油”原料，借鉴石油化工的技术，用以合成石油的下游化学产品呢？
“如果这个猜想成立，不仅可以有效降解废弃塑料，减轻对环境的污染，还能高效升级塑料中储量较大的碳资源。”曾杰介绍。
巧妙设计动态“氢呼吸”策略降本又节能
石油工业中的两个过程引起了研究人员的注意。一个是短链的汽油馏分催化重整得到更高附加值的环状烃，这个过程会产生氢气；另一个是重质油加氢裂化制备短链烃，这个过程会消耗氢气。
在这两个过程的启发下，研究人员设计出了一种“氢呼吸”策略用以降解高密度聚乙烯塑料。他们开发出一种新型催化剂——分子筛负载金属钌催化剂，可以一边让塑料成环脱氢变成环状烃，“呼”出氢气，一边又让塑料“吸”入其自身释放的氢气，并裂解变成短链烃。
“‘加氢裂化’是一个重要的石油加工过程。不过这一过程中需要消耗大量氢气，而氢气本身非常昂贵。此外，现有的制氢工艺还会造成碳排放。”曾杰说，他们研究出的“氢呼吸”策略，将“催化重整过程中产生氢气，加氢裂化过程中消耗氧气”二者串联，利用聚乙烯自身的氢原子替代外加的氢气，在不使用外加氢气的条件下，实现废弃聚乙烯塑料的循环升级。“这一策略不仅降低成本，而且节能减排，从而实现氢元素的‘自产自销’。”
“循”得新生产出合成药物、染料、纤维的原材料
最终，实验结果显示，在无需额外添加氢气或溶剂的条件下，经过24小时的催化反应，高达69.6%的废弃聚乙烯固体塑料实现了降解，其中主要降解产物是液体环状烃。
曾杰介绍，环状烃是一种重要的高附加值的石油化学产品，可以作为合成药物、染料、树脂和纤维的原材料，用途广泛。此外，研究人员还发现，不论用聚乙烯的粉末、保鲜膜或者塑料瓶，都可以达到同样的循环升级效果。
6月26日，研究成果发表在国际知名学术期刊《自然·纳米技术》上。中国科学院院士、中国科学院化学研究所研究员韩布兴评价道，“这项工作将废弃聚乙烯塑料这类环境污染物用于制备石油基化学产品，为废弃塑料的‘人工碳循环’提供了新方法，为石油的部分替代提出了新思路。”
“这项工作巧妙地结合了炼油工业中催化重整和加氢裂化两个过程的基本原理，以氢的完美平衡实现塑料降解新路线，是塑料降解科学技术的重大突破。”中国科学院院士、石油化工专家何鸣元教授认为。
曾杰表示，未来，研究团队将开发不含贵金属钌的催化剂，降低催化剂成本，同时引入自然界体量较大且廉价易得的共反应物，进一步提高产物的价值。
合肥通客户端-合报全媒体记者 刘畅司晨
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