华东师大研究团队实现废弃聚乙烯和CO2的高价值耦合转化利用

发布时间: 2024-04-29 17:49:40 浏览次数 : 1242 来源:华东师范大学

塑料制品广泛应用于日常生活，从微小的吸管到大型汽车部件。全球累计塑料产量已达近100亿吨，然而，目前只有大约10%的塑料被有效回收。由于塑料的高化学稳定性，其自然分解时间可长达数百年，造成废弃塑料在环境中的持续积累，对人类健康和生态系统构成严峻威胁。此外，塑料生产过程中产生的二氧化碳排放量巨大，在追求“碳中和”和“碳达峰”的全球背景下，如何在维持塑料产品供应的同时实现低碳甚至零碳排放，成为了一个亟待解决的重要议题。

鉴于此，华东师范大学化学与分子工程学院赵晨教授研究团队在废弃碳资源塑料和CO2的高价值利用上取得重要进展。构建了沸石-金属氧化物多相催化体系，通过芳构化-氢捕获机制耦合转化废弃聚乙烯与CO2为芳烃和CO。综合多种原位表征、同位标记、模型物的验证等手段，阐释了芳构化-氢捕获的反应机理。相关研究以 Coupled conversion of polyethylene and carbon dioxide catalyzed by a zeolite–metal oxide system 为题，于2024年4月12日发表于 Science Advances。

Science Advances刊发华东师大赵晨教授研究团队科研成果

石油基塑料因其短流通寿命(通常少于10年)和难降解性，导致了塑料废物的大量积累，对环境构成了严峻挑战。特别是废弃的聚乙烯(PE)，由于其丰富的碳氢含量，被视为一个潜在的碳氢载体。然而，聚乙烯主链的高解离能(约372 kJ/mol)和C-C键断裂的不可预测性，使得其转化过程产生多种复杂的产品。芳香烃，包括单环芳香烃(CnH2n-6，n≥6)，是制造燃料添加剂、合成聚合物和表面活性剂的关键中间体，其传统生产途径依赖于石脑油的重整过程。富氢PE的芳构化(有效H/C=2.0)涉及氢转移和析氢反应(图1，途径1)。这些反应会引发二次反应，如长链烷烃多次加氢裂化为气态小烷烃和芳烃前体烯烃的加氢(图1，途径2)。二氧化碳(CO2)作为一种可用的废弃碳源，其转化过程通常需要大量的氢气。因此，研究者提出关键问题：二氧化碳的转化能否与聚乙烯的芳构化过程有效耦合，以减少氢气消耗并提升芳烃产品的产率?

图1. 芳构化反应中沸石表面H物种的转移途径。

图2. 聚乙烯和CO2耦合高价值利用的机理阐释和构建的催化体系处理消费后聚乙烯的能力

通过原位的氢气程序脱附、CO2原位吸附红外、13C同位素标记和模型反应物的验证，发现CO2通过原位消耗聚乙烯芳构化过程中产生的活性氢物种，有效的提高了芳烃的产率。并阐明了催化体系的构效关系，即HZSM-5充当“储氢池”，CuZnZrOx充当“CO2加氢池”的机制。

此项研究演示了一个芳香化-氢捕获的耦合过程，在多功能ZEO-OX催化剂上将PE和CO2转化为有价值的芳香烃和CO。根据催化和表征结果，阐明了CO2介导的氢捕获途径。在该机制中，HZSM-5酸位点PE芳构化产生的氢迁移到邻近的CuZnZrOx氢受体池中进行二氧化碳还原。一次防止了二次反应，如芳香族前体烯烃的加氢和氢解。在温和条件下(380℃)，CO2转化率可达1.5 mmol gPE−1(20 bar CO2)，芳烃收率最高为62.5 wt %。芳构化与氢捕获的耦合机理为富氢聚烯烃和贫氢CO2废弃物资源的转化和循环利用提供了新的思路。

该工作由华东师范大学赵晨教授团队完成。华东师范大学田井清副研究员和马冰副研究员为论文的共同通讯作者，华东师范大学刘洋洋博士为论文第一作者。该项研究工作得到了国家自然科学基金委、上海市科委和国家自然科学青年基金的资助。

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