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近日，中国科学技术大学曾杰教授课题组在塑料循环升级领域取得突破性进展。研究人员设计出一种“氢呼吸”策略，在无需额外添加氢气或溶剂的情况下，将高密度聚乙烯塑料转化为高附加值的环状烃类，为废弃塑料的“人工碳循环”提供了新方法。研究成果日前发表在国际学术期刊《自然·纳米技术》上。
聚乙烯塑料是五大通用塑料之一，稳定性很高，难以自然降解。通过焚烧或填埋处理废弃的聚乙烯塑料会造成大气、土壤和水源污染。考虑到聚乙烯和石油具有相似的化学结构与组成，曾杰等人大胆猜想——能否直接把聚乙烯当成一种“固体石油”，借鉴石油化工的技术，用以合成石油的下游化学产品？
此次研究中，研究人员首先把目光聚焦到石油加工的一个重要过程——加氢裂化，它可以将长链段的重质油裂解，从而得到短链的油品，如汽油、煤油和柴油等。研究人员参照该方法，以聚乙烯为原料进行加氢裂化实验，并顺利转化为汽油馏分的链状烃产品，进一步证实聚乙烯就相当于“固体石油”。
“正如‘加氢裂化’字面上的意思，这个过程需要消耗大量氢气，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，进一步地，他们从改进工艺着手，试图在不使用氢气的条件下，实现废弃聚乙烯塑料的循环升级。
催化重整是石油加工过程中另一种重要的手段，可以将轻汽油馏分转变成富含芳烃的高辛烷值汽油，或者苯、甲苯以及二甲苯等化工原料，并产生氢气。
催化重整过程中产生氢气，加氢裂化过程中消耗氢气。如果将这两个过程串联并应用于聚乙烯降解，就相当于一边让塑料成环脱氢变成环状烃“呼”出氢气，一边让塑料“吸”入氢气裂解变成短链。
曾杰介绍，“这一策略利用聚乙烯自身的氢原子替代外加的氢气，不仅降低成本，而且节能减排，从而实现氢元素的‘自产自销’”。最重要的是，在这个过程中还可以打破聚乙烯中稳定的碳骨架，使分子链段变短，而且得到的产物是环状烃，相比链状烃具有更高的价值。
要实现动态“氢呼吸”策略，寻找一种合适的催化剂是关键。曾杰提出“酸性位点可以促进烯烃环化成环状烃”。研究人员在原有的金属钌催化剂上引入了具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使聚乙烯顺利发生脱氢环化过程，并释放出氢气，顺利引发后续的加氢裂化过程。
在分子筛负载的钌催化剂作用下，废弃聚乙烯塑料逐渐被降解。最终，经过24小时的催化反应，高密度聚乙烯塑料的转化率达到69.6%，其中主要降解产物是液体环状烃。环状烃是高附加值的化工品之一，可以作为合成药物、染料、树脂和纤维的原材料，用途广泛。
“未来，我们将开发不含贵金属钌的催化剂，进一步降低催化剂成本，同时引入自然界体量较大且廉价易得的共反应物，不断提高产物价值。”曾杰说。（记者丁一鸣 通讯员王敏）
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