崔崇威教授團隊Fuel：雙功能催化劑（Fe-Ni/SiC）可使廢塑料變廢為寶

一、【導讀】

環保領域的一大研究熱點就是將廢棄塑料變廢為寶。在該領域中，微波催化熱解技術是回收廢塑料中高價值產品(如H₂、汽油組分、碳納米管等)的潛在途徑，因為它不僅具有熱速率快、資源化效率高、高能效等優點外，還可以激發化學鍵斷裂，實現長鏈聚合物的“定向裁剪”。 在微波催化熱解的過程中，催化劑至關重要，過渡金屬催化劑因其催化活性高、成本低在該領域備受關注。Fe、Ni和Co是催化劑中最常用的活性成分，它們通過接受電子促進碳氫化合物的解離，從而產生較輕的產物。值得注意的是，相比于單金屬催化劑，多金屬催化劑可通過調整各組分的比例，可以進一步提高催化劑的選擇性和活性，從而提高高價值產品的收率和質量，但需要考慮的是，好的催化劑同樣需要好的載體。

催化劑載體可以通過金屬-載體相互作用激活和改變活性金屬的電子和化學性質，影響碳氫化合物在催化劑上的吸附和解離。目前，大多數催化劑載體存在導熱性差、易氧化、機械強度差等缺點。SiC作為潛在的催化劑載體，具有耐高溫、機械強度好、化學穩定性好、導熱性好等優點，引起了廣泛的關注。此外，SiC作為一種良好的介電材料，可以作為微波吸收劑，為高溫熱解提供熱能。此外，微波輻照可以通過在微波熱解過程中活化催化活性組分來提高催化活性。因此，在微波催化熱解體系中加入具有催化和微波吸收功能的改性SiC催化劑，有望降低商用催化劑和微波吸收劑的添加成本，提高經濟性。然而，基于SiC載體的具有催化裂化和微波吸收雙重功能的催化劑鮮有報道。

二、【成果掠影】

在此，哈爾濱工業大學崔崇威教授團隊、東北師范大學師資博士后崔寒團隊以SiC為催化劑載體，Fe和Ni為金屬活性中心，制備了一系列兼具微波吸收和催化性能的雙功能催化劑(Fe-Ni/SiC)。研究人員采用先進的微波熱重爐對不同鐵鎳比催化劑的微波吸附性能和催化性能進行了研究。研究表明，雙功能催化劑具有良好的孔隙結構和Fe₂O₃、NiO、NiFe₂O₄等活性組分，具有良好的介電性能和催化性能。催化后，低密度聚乙烯的升溫速率為68.18-73.39 ℃·min^-1，失重速率為0.59-0.68 g·min^-1。升溫速率的提高有利于提高熱解程度，提前到達熱解終點，降低能耗(最高11.54 MJ/kg)。當催化劑為Fe-Ni/SiC（2:1）時，氣產率最高（73.61 wt%），H₂含量最高（73.89 vol%）。此外，鐵負載越高，碳納米管的石墨化程度越高。最后，通過升溫失重特性、熱解行為分析和熱解產物特性，探討微波吸收和催化機理。該研究為開發基于微波熱解技術的新型雙功能催化劑和有針對性地回收廢塑料高質量產品提供了有意義的見解和技術支持。

相關研究成果以“Study on high-value products of waste plastics from microwave catalytic pyrolysis: Construction and performance evaluation of advanced microwave absorption-catalytic bifunctional catalysts”為題發表在國際著名期刊Fuel上。

三、【核心創新點】

1、該研究成功構建了一系列具有微波吸收和催化能力的雙功能催化劑(Fe-Ni/SiC)，實現了廢塑料微波催化熱解的高價值應用。

2、可能的研究機制表明，Fe₂O₃、NiO和NiFe₂O₄作為主要的活性位點， 能與SiC載體相互作用，這是催化效果好的主要原因。

四、【數據概覽】

圖1 Fe-Ni/SiC催化劑制備流程圖；? 2023 Elsevier Ltd. All rights reserved.

圖2 不同改性SiC催化劑的XPS光譜；? 2023 Elsevier Ltd. All rights reserved.

圖3 不同改性SiC催化劑的XPS分析:(a) Fe 2p和(b) Ni 2p；? 2023 Elsevier Ltd. All rights reserved.

圖4 (a) XRD譜圖，(b，c) N₂吸附-脫附等溫線，(c)孔徑分布，(d) SiC及改性SiC催化劑的H₂-TPR；? 2023 Elsevier Ltd. All rights reserved.

圖5 SiC及改性SiC催化劑在2 ~ 18 GHz頻率范圍內的電磁參數為: (a) ε’，(b) ε“，(c) tanδε， (d)μ’，(e)μ”，(f) tanδμ；? ?2023 Elsevier Ltd. All rights reserved.

圖6 (a)不同催化劑的升溫-失重特性，(b)這項工作的升溫速度與最近出版物的比較；? 2023 Elsevier Ltd. All rights reserved.

圖7 a) SiC微波熱解所需能耗，(b) Fe / SiC，(c) Ni / SiC，(d) Fe-Ni/SiC (1:1)，(e) Fe-Ni/SiC (2:1)，(f) Fe-Ni/SiC(1:2)；? 2023 Elsevier Ltd. All rights reserved.

圖8 不同改性SiC催化劑對產物分布的影響；? 2023 Elsevier Ltd. All rights reserved.

圖9 (a)不同改性SiC催化劑對熱解氣體組成的影響，(b)本研究的H₂濃度與近期出版物的比較；? 2023 Elsevier Ltd. All rights reserved.

圖10 不同改性SiC催化劑對(a)熱解油組分、(b)直鏈烴和環烴含量、(c)碳數分布、(d)石油餾分的影響；? 2023 Elsevier Ltd. All rights reserved.

圖11 (a1) SiC的SEM圖像，(a2)鐵/碳化硅，(a3)鎳/碳化硅，(a4) Fe-Ni/SiC (1:1)，(a5) Fe-Ni/SiC (2:1)，(a6) Fe-Ni/SiC (1:2)，有(b1) SiC的圖像，(b2)鐵/碳化硅，(b3)鎳/碳化硅，(b4) Fe-Ni/SiC (1:1)，(b5) Fe-Ni/SiC (2:1)，(b6) Fe-Ni/SiC(1:2)；? 2023 Elsevier Ltd. All rights reserved.

圖12 不同改性SiC催化劑上碳沉積的拉曼光譜；? 2023 Elsevier Ltd. All rights reserved.

圖13 改性SiC催化劑微波吸收及產品升級機理研究；? 2023 Elsevier Ltd. All rights reserved.

五、【成果啟示】

總之，該研究以SiC為催化劑載體，Fe和Ni為金屬活性組分，構建了兼具微波吸收和催化功能的Fe-Ni/SiC雙功能催化劑，用于低密度聚乙烯的微波催化熱解，獲得了高質量的熱解產物。Fe₂O₃、NiO和NiFe₂O₄是主要的活性位點，能與SiC載體相互作用，這是催化效果好的主要原因。此外，由于催化劑的引入，加熱速率和熱解速率加快，有利于微波催化熱解的終點提前，能耗降低。最后，研究還表明雙金屬催化劑具有潛在的柔韌性，可通過調節活性組分的種類和比例，實現低密度聚乙烯熱解產物的定向生產。

原文詳情：Study on high-value products of waste plastics from microwave catalytic pyrolysis: Construction and performance evaluation of advanced

microwave absorption-catalytic bifunctional catalysts，2023，https://doi.org/10.1016/j.fuel.2023.128296）

本文由LWB供稿。