摘要：该工艺的核心是一种低成本的镍基催化剂，该催化剂选择性地针对聚烯烃塑料，包括聚乙烯和聚丙烯，这些塑料占全球一次性塑料消费量的近三分之二。这意味着该催化剂可以应用于大量未分类的聚烯烃废弃物。
西北大学
新型催化剂或可实现混合塑料回收
塑料回收的未来很快就会变得更加简单和高效。
西北大学的研究人员开发了一种新的塑料升级回收方法，大大减少甚至可能消除对混合塑料垃圾进行预先分类的需要。
该工艺的核心是一种低成本的镍基催化剂，该催化剂选择性地针对聚烯烃塑料，包括聚乙烯和聚丙烯，这些塑料占全球一次性塑料消费量的近三分之二。这意味着该催化剂可以应用于大量未分类的聚烯烃废弃物。
催化剂活化后，会将这些低价值的固体塑料转化为液态油和蜡，这些油和蜡可以重新用于生产燃料、润滑剂和蜡烛等高价值产品。该催化剂可以重复使用多次，尤其值得一提的是，它还能分解受聚氯乙烯 (PVC) 污染的塑料。聚氯乙烯是一种有毒物质，长期以来被认为是导致塑料“不可回收”的原因。
主要挑战和突破潜力
该研究最近发表在《自然化学》杂志上。
“塑料回收的最大障碍之一一直是必须按类型对塑料垃圾进行细致的分类，”该研究的资深作者、西北大学的托宾·马克斯说道。“我们的新催化剂可以绕过普通聚烯烃塑料的这一昂贵且耗费人力的步骤，使回收比现有策略更高效、更实用、更经济。”
“当人们想到塑料时，他们很可能想到的是聚烯烃，”西北大学的Yosi Kratish（该论文的共同通讯作者）说道。“基本上，冰箱里的所有东西都是聚烯烃制成的——调味品和沙拉酱的挤压瓶、牛奶壶、保鲜膜、垃圾袋、一次性餐具、果汁盒等等。这些塑料的寿命很短，所以它们大多是一次性的。如果我们没有有效的回收方法，它们最终会被填埋，最终进入环境，在那里停留数十年，最终降解成有害的微塑料。”
Marks 是世界知名的催化专家，现任西北大学温伯格文理学院 Vladimir N. Ipatieff 催化化学教授，以及西北大学麦考密克工程学院化学和生物工程教授，同时还是 Paula M. Trienens 可持续发展与能源研究所的附属教员。Kratish 是 Marks 团队的研究助理教授，也是 Trienens 研究所的附属教员。Marks 团队的研究员 Qingheng Lai 是该研究的第一作者。Marks、Kratish 和 Lai 与普渡大学化学工程教授 Jeffrey Miller、温伯格文理学院 Clare Hamilton Hall 化学教授 Michael Wasielewski 以及艾姆斯国家实验室的研究科学家 Takeshi Kobayashi 共同领导了这项研究。
聚烯烃的困境
从酸奶杯和零食包装纸到洗发水瓶和医用口罩，聚烯烃塑料已融入日常生活。它们是世界上使用最广泛的塑料，产量巨大。据估计，全球每年生产超过2.2亿吨聚烯烃产品。然而，根据《自然》杂志2023年的一份报告，这些塑料的回收率仍然低得令人担忧，全球回收率不到1%到10%。
回收记录不佳很大程度上是由于聚烯烃的耐久性。聚烯烃的结构是由碳-碳键连接的小分子组成的，这些小分子非常坚固，难以分解。
“我们设计催化剂时，会瞄准薄弱环节，”克拉蒂什说，“但聚烯烃没有任何薄弱环节。每个键都非常牢固，而且化学性质不活泼。”
当前流程存在的问题
目前，只有少数几种不太理想的聚烯烃回收工艺。它们可以先被切碎成薄片，然后熔化并降级回收，制成低质量的塑料颗粒。但由于不同类型的塑料具有不同的特性和熔点，因此该工艺需要工人仔细地将不同类型的塑料分开。即使是少量的其他塑料、食物残渣或非塑料材料，也可能影响整批塑料的回收。而这些被污染的塑料最终会被直接送往垃圾填埋场。
另一种方法是将塑料加热到极高的温度，达到400到700摄氏度。虽然这个过程可以将聚烯烃塑料降解成有用的气体和液体混合物，但它极其耗能。
“当然，所有东西都可以燃烧，”克拉蒂什说。“只要施加足够的能量，任何东西都可以转化为二氧化碳和水。但我们想找到一种巧妙的方法，用最少的能量来获得价值最高的产品。”
精密工程
为了找到这个巧妙的解决方案，Marks、Kratish 和他们的团队研究了氢解法，这是一种利用氢气和催化剂将聚烯烃塑料分解成更小、更有用的碳氢化合物的过程。虽然氢解方法已经存在，但它们通常需要极高的温度和昂贵的贵金属催化剂，例如铂和钯。
“聚烯烃的生产规模巨大，但全球贵金属储量却非常有限，”赖教授说道。“我们无法将所有贵金属都用于化学生产。而且，即使我们这样做，也不足以解决塑料问题。这就是为什么我们对地球上储量丰富的金属感兴趣。”
对于聚烯烃回收催化剂，西北大学的研究团队选择了阳离子镍，它是由一种储量丰富、价格低廉且市售的镍化合物合成的。其他基于镍纳米颗粒的催化剂具有多个反应位点，而该团队设计了一种单位点分子催化剂。
单点设计使催化剂能够像一把高度专业化的手术刀一样，优先切割碳-碳键，而不是像一把控制性较差的钝器那样不加区分地破坏塑料的整个结构。因此，当支链聚烯烃（如全同立构聚丙烯）与非支链聚烯烃混合时，该催化剂能够选择性地分解它们，从而有效地将它们化学分离。
“与其他镍基催化剂相比，我们的工艺采用单点催化剂，运行温度低100摄氏度，氢气压力也只有后者的一半，”Kratish说道。“我们的催化剂用量也减少了10倍，但活性却提高了10倍。因此，我们在所有方面都取得了成功。”
污染加速
这种镍基催化剂拥有单一、精确定义且独立的活性位点，拥有前所未有的活性和稳定性。事实上，该催化剂具有极高的热稳定性和化学稳定性，即使暴露于聚氯乙烯 (PVC) 等污染物也能保持控制。聚氯乙烯 (PVC) 用于管道、地板和医疗器械，外观与其他类型的塑料相似，但加热后稳定性明显较差。聚氯乙烯分解时会释放出氯化氢气体，这是一种腐蚀性极强的副产物，通常会使催化剂失活并干扰回收过程。
令人惊讶的是，西北大学的催化剂不仅能够抵御PVC污染，PVC实际上反而加速了其活性。即使废料混合物总重量中PVC含量达到25%，科学家们发现他们的催化剂仍然具有更高的活性。这一出乎意料的结果表明，该团队的方法或许能够克服混合塑料回收的最大障碍之一——分解目前因PVC污染而被视为“不可回收”的废料。该催化剂还可以通过使用廉价的烷基铝进行简单处理，在多个循环中再生。
“在回收混合物中添加聚氯乙烯一直是被禁止的，”克拉蒂什说。“但显然，它让我们的工艺变得更好。这太疯狂了。这绝对是任何人都意想不到的。”
由美国能源部（奖项编号 DE-SC0024448）和陶氏化学公司支持。
来源：小轩科技园地
