Nature：實現塑料回收的新工藝

一、 【導讀】?

廢棄塑料及含塑料材料的大量排放給全球生態系統帶來了巨大壓力，形成了一場緊迫的環境危機。為降低資源消耗和減緩廢棄物對環境的破壞，發展塑料與含塑料復合材料的循環經濟已勢在必行。雖然化學回收被視為最具潛力的回收途徑之一，但環氧樹脂和輕質纖維增強環氧復合材料的回收仍是一大難題。尤其是高性能輕質纖維增強環氧復合材料的回收，亟待找到可行且有效的解決方案。

隨著風能技術的廣泛應用，廢棄風力渦輪機葉片的數量不斷攀升，這使得環氧樹脂及其復合材料的有效回收策略變得至關重要。解決這一問題將有助于減輕廢棄材料對環境的負面影響，推動循環經濟的發展。然而，熱固性塑料的回收仍然頗具挑戰性。。

二、【成果掠影】

近日，丹麥奧胡斯大學的Troels Skrydstrup和Alexander Ahrens報道了一種創新的過渡金屬催化策略，該策略可從環氧復合材料中回收聚合物構筑基元雙酚A和完整纖維。這一以釕為催化劑的脫氫/鍵斷裂/還原串聯反應能有效斷開聚合物中最常見的C（烷基）-O鍵。他們展示了這種方法在相關的未修飾胺固化環氧樹脂和商業復合材料中的應用，包括風力渦輪機葉片的外殼。實驗結果表明，化學回收熱固性環氧樹脂和復合材料是切實可行的。相關成果以“Catalytic disconnection of C–O bonds in epoxy resins and composites”為題發表在Nature上。

?三、【核心創新點】

該研究報道了一種創新性的化學回收方法，可從環氧復合材料中回收聚合物結構基元和纖維。

?四、【數據概覽】

圖1 熱固性環氧樹脂中的目標C-O鍵和相關模型化合物的催化解構。 ? 2023 Springer Nature

a.環氧樹脂交聯基體的示意圖和鍵合基團的分子結構。

b.針對不同的模型基質優化的反應條件，考慮到鍵合基團和結構基元

圖2 Ru催化C-O鍵斷裂的機理 ? 2023 Springer Nature

a.Ru催化的受體無機化脫氫反應

b.斷開C-O鍵的催化循環機理

c.檢測到丙酮作為斷開產物

d.模型1的解構動力學曲線

圖3 環氧樹脂的催化解構。 ? 2023 Springer Nature

使用催化反應條件解構的環氧樹脂范圍 ；實驗在氬氣氛下進行，通過柱層析分離后，通過收率確定產物

圖4 使用Ru催化從商業環氧復合材料中回收BPA和纖維 ?? 2023 Springer Nature

a.經過催化作用的復合材料樣品范圍。

b.在風力渦輪機葉片上升級解構條件。

圖5 商業纖維增強復合材料和玻璃纖維的表征 ? 2023 Springer Nature

a.X射線微型計算機斷層掃描，通過重建的圖像堆顯示纖維橫截面的虛擬切片。

b.重建圖像堆的3D渲染，顯示纖維組織；對應空氣的灰度級已經被渲染成透明；比例參見a中的二維切片。

c.通過分析X射線μ-CT數據獲得的纖維直徑的直方圖。

d.純凈纖維和回收纖維的XPS C 1s高分辨率光譜。

e-h. 純凈（e、f）和回收纖維（g、h）的SEM圖像。

五、【成果啟示】

總之，這項研究旨在開發一種化學回收方法，通過選擇性地斷開環氧樹脂固有的鍵合基團，而非人為設置的斷裂點或破壞基體分子結構。通過針對樹脂生產過程中形成的鍵，不僅能從聚合物中釋放纖維，還可以回收有價值的聚合物構筑基元。因此，這種方法有助于實現環氧樹脂和纖維的循環利用，通過利用回收得到的基礎化學品生產新的聚合物。

原文詳情：Ahrens, A., Bonde, A., Sun, H. et al. Catalytic disconnection of C–O bonds in epoxy resins and composites. Nature (2023).

https://doi.org/10.1038/s41586-023-05944-6

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