出品：科普中國
作者：石暢（物理化學博士）
監制：中國科普博覽
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聚乙烯塑料已經成為我們日常生活中不可或缺的一部分，從輕便的購物袋到耐用的食品包裝，從時尚的服裝到常用的建筑材料，聚乙烯塑料的廣泛應用極大地便利了我們的生活。但是，聚乙烯塑料的使用也帶來了一個不容忽視的問題——廢舊塑料對環境的污染。
隨著一次性塑料用品使用量的增加，大量的廢舊聚乙烯塑料被丟棄在自然環境中，這些塑料廢棄物難以降解，會對土壤、水源和生態系統造成長期的負面影響。
此外，它們在污染環境的同時，還威脅著野生動植物的生存，甚至通過食物鏈間接影響人類的健康。那么如何才能實現廢舊聚乙烯塑料的環保回收和利用呢？
廢棄塑料
（圖片來源：veer圖庫）
2024年4月9日，中國科學家在《自然化學》（Nature chemistry）雜志上發表了一篇關于聚乙烯塑料催化轉化制備高品質汽油的文章，有望實現廢舊聚乙烯塑料的高值利用。
研究成果發表于《自然化學》雜志
（圖片來源：《自然化學》雜志）
聚乙烯變汽油的策略
廢棄塑料的資源化利用不僅可以解決塑料對環境的污染問題，同時也可以實現資源的綠色可持續發展。在廢棄塑料中，聚乙烯的轉化難度很大，其非極性的碳碳鍵很難在低溫條件下實現活化和斷裂。
目前已有的聚乙烯轉化策略主要是在400℃以上高反應溫度、貴金屬催化劑和外加氫源條件下實現，嚴格的反應條件使得這種策略在工業化化學回收聚乙烯的應用方面受到了限制。
基于聚乙烯醇轉化策略面臨的問題，研究者利用四正丁基氫氧化銨為結構導向劑，采用一步水熱反應合成具有層狀自支撐結構（LSP）的分子篩進行聚乙烯的催化轉化。其中，結構導向劑是在晶體的合成或生長過程中，通過特定的配體或添加劑，在化學反應中引導分子組裝形成高度結晶化有序結構，從而得到理想的物理和化學性質。層狀自支撐結構是指由陽離子與陰離子通過離子鍵結合而形成的層狀結構，這種結構層間具有足夠的強度和穩定性，可以在不需要額外支撐的情況下獨立存在。
介孔孔道是指孔徑大小在2-50納米之間的孔道，這些孔道介于微孔和大孔之間，具有高度有序的結構和豐富的表面活性，對催化劑的性能有著重要的作用。該層狀自支撐分子篩具有更大的外比表面積和豐富的介孔孔道，在發生催化反應時能使反應物與催化劑充分接觸，提高反應速率。路易斯酸位點是指一種化學物質能夠接受電子對的特定位置或區域，該位點可以實現反應物的吸附和活化，從而實現催化的作用。該層狀自支撐分子篩與傳統分子篩材料相比具有獨特的自支撐結構和更多的強路易斯酸位點。分子篩中強路易斯酸位點和形狀選擇性在催化聚乙烯轉化時能夠發揮關鍵的作用，因此，該層狀自支撐分子篩具有更好聚乙烯催化轉化的效果。
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.核磁表征結果；f,g.紅外表征結果）
（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、烯烴和環烷烴混合物。辛烷值是衡量汽油在氣缸內抗爆震能力的一種數字指標，通常用于評價車用汽油的性能，汽油的品質與辛烷值正相關。
汽油辛烷值
（圖片來源：veer圖庫）
實驗結果表明，該研究制備的層狀自支撐結構分子篩（LSP-Z100）在240℃，無外加氫源的條件下，經過4小時就可以實現高密度聚乙烯向汽油的轉化，產率超過80%。對其液相產物的檢測結果表明，C4-C12組分占比高達99%，支鏈烷烴占比為72%，具有較高的研究辛烷值（88.0），可媲美商業汽油（86.6）。
以上結果證明了層狀自支撐結構分子篩（LSP-Z100）具備將聚乙烯催化轉化為高品質汽油的可行性。該研究為解決廢棄聚乙烯塑料的環境污染問題以及實現資源有效利用提供了新的路線。
高密度聚乙烯在不同催化劑條件下的轉化率和產物收率
（圖片來源：參考文獻1）
當我們深入思考塑料污染問題時，不難發現，改變往往始于細微之處。在我們的日常生活中，減少使用不必要的塑料制品，比如一次性吸管、塑料袋和餐具等，不僅有助于減少廢棄塑料的產生，還能促進整個社會的環保意識提升。
此外，垃圾分類也是減少塑料污染的關鍵一步。將可回收的塑料與其他垃圾分開，確保它們得到正確地處理，這樣不僅可以減少塑料進入自然環境的機會，還能促進資源的循環利用。
垃圾分類
（圖片來源：veer圖庫）
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.
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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, 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.
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