摘要：2025年9月16日，同济大学王颖教授团队在《Environmental Science & Technology》上发表了题为“Net-Zero Upcycling of Mixed Polyolefins by Spatially Homogeneous
论文概要
2025年9月16日，同济大学王颖教授团队在《Environmental Science & Technology》上发表了题为“Net-Zero Upcycling of Mixed Polyolefins by Spatially Homogeneous Joule Heating”的研究论文。本研究报道了一种创新的“空间均匀焦耳加热（SHJH）”技术，成功将废弃聚烯烃高效转化为高纯度氢气和石墨烯。该方法通过精准调控毫秒级脉冲加热过程，实现反应体系内温度均匀分布，并结合生物质衍生的碳基催化剂，显著提高C–H键活化效率。结果表明，SHJH可实现97.5%的理论氢产率（70.0 mmol·g⁻¹）和82%的石墨烯产率，能量效率高达14,700 mmol H₂·kWh⁻¹，较传统方法节能99%以上。生命周期评估进一步证实，该技术能够将能耗、温室气体排放和水资源消耗降低两个数量级，并在使用可再生能源时实现近零碳排放，同时具备显著的经济竞争力，为废塑料资源化提供了可持续且可规模化应用的解决方案。
图文解读
图1. SHJH反应器的设计与性能优势
SHJH反应器以多层多孔碳纸构建加热单元，利用焦耳效应实现毫秒级快速升温（可达10⁴ °C·s⁻¹），并形成空间均匀的热场分布。通过对比四种不同加热构型，研究发现SHJH可显著抑制副反应路径，将氢气产率提高至69.0 mmol·g⁻¹，副产物仅占0.2 wt%。温度曲线调控表明，在1900 °C附近存在最优反应窗口，既能充分活化C–H与C–C键，又避免了高温下中间体扩散过快导致的反应不完全。值得注意的是，SHJH在提升反应温度的同时，反而提高了能量效率，最高达14,700 mmol H₂·kWh⁻¹，体现出其独特的热管理优势。
图2. SHJH对聚烯烃的解构性能
研究比较了金属基与碳基催化剂在SHJH体系中的表现。尽管多种催化剂均显示出一定的C–H活化能力，但过渡金属催化剂（如Pt/C、Ni foam）易发生烧结或积碳，而碳基材料（如活性炭、生物炭）因其低成本、高稳定性和与产物相容性好等优点，更具实际应用潜力。尤其值得注意的是，即使不添加催化剂，SHJH仍可实现43.3 mmol·g⁻¹的H₂产率，高于传统两步催化热解工艺。在使用活性炭时，聚乙烯和聚苯乙烯的H₂提取率分别达到98%和95.8%，表明SHJH显著缓解了C–H活化的动力学限制。
图3. 升级回收碳产物的表征
研究通过XRD、Raman、HRTEM和TPO等多种表征手段对生成的碳产物进行了系统分析。XRD图谱显示（002）晶面衍射峰尖锐，层间距为3.45 Å，表明产物具有高度石墨化特征。Raman光谱中ID/IG比值仅为0.12–0.13，说明缺陷密度低，2D峰明显则反映其少层堆叠特性。HRTEM图像进一步证实其为涡轮层状（turbostratic）排列的少层石墨烯结构，与XRD和Raman结果一致。TPO分析表明该碳材料具有优于商业石墨烯的热稳定性，与其高结晶度和碳纯度（>99 wt%）密切相关。
图4. 催化解构聚烯烃的活性物种鉴定与反应机理
通过对比不同官能团修饰的碳材料（GAr、GO、GO&Ar），发现仅含丰富表面氧官能团（OCFGs）的氧化石墨烯（GO）能显著提高H₂产率并减少副产物。进一步通过官能团选择性阻塞实验，证实C=O基团是主导C–H活化的关键物种。DFT计算表明，C=O介导的氢提取能垒（159–173 kJ·mol⁻¹）远低于均裂裂解C–C或C–H键的能垒（~264 kJ·mol⁻¹），说明其可显著降低反应动力学障碍，促进聚烯烃的脱氢与石墨化进程。
图5. SHJH-enabled 可持续升级回收
图5 从生命周期评估（LCA）和技术经济分析（TEA）角度评估了SHJH的系统可持续性。结果表明，相较于传统热解和微波工艺，SHJH可将能耗、温室气体排放和水资源消耗降低两个数量级。结合可再生能源供电后，其净碳排放可低至0.6 kg CO₂e·kgH₂⁻¹，显著优于其他工艺（>22.9 kg CO₂e·kgH₂⁻¹）。经济分析显示，处理每公斤废塑料的成本仅为1.4美元，而潜在收益达11.9美元，展现出显著的经济可行性。此外，通过模块化优化如E-SHJH（电容脉冲供能）和Re-SHJH（催化剂原位再生），SHJH在放大实验中仍保持高反应性能与产物一致性，为其工业应用提供了坚实支撑。
总结展望
总之，本研究通过开发空间均匀焦耳加热（SHJH）策略，成功实现了混合聚烯废塑料向高纯氢气和石墨烯的高效转化，其核心突破在于借助毫秒级可控热场与生物质碳基催化剂协同作用，通过羰基介导的C–H键活化机制显著降低反应能垒，从而达成近理论值的氢产率（70.0 mmol·g⁻¹）与超高能量效率（14,700 mmol H₂·kWh⁻¹）；基于该过程生成的少层涡轮层石墨烯结构规整、缺陷密度低（I_D/I_G ≈ 0.12），展现出优异的热稳定性和应用潜力。该技术不仅将能耗与碳排放降低两个数量级，更以每公斤废塑料1.4美元的低处理成本和11.9美元的高收益，凸显出显著的经济与环境双重效益，为塑料循环经济提供了工业可扩展的零碳解决方案。未来可探索连续化反应器设计与催化剂长效稳定性优化，以进一步推进其大规模工业应用。
来源：旧城信箱
