韓布興院士Nat. Chem.：分子篩催化廢塑料分解制取汽油！

一、【科學背景】

塑料廢品預計2050年將達250億噸，因此開發多樣化廢舊塑料回收技術迫在眉睫。作為塑料的主要成分，聚烯烴具有惰性的C-C鍵，難以控制其向目標產品的轉化。現有技術依賴于有機金屬、貴金屬催化劑和復雜的處理過程，面臨工業化挑戰。新興技術通過將聚烯烴轉化為燃料級碳氫化合物的新興方法顯示出巨大的工業潛力。然而，燃料中烷烴的H/C比高于聚烯烴（分別為~2.2-2.3和2.0）。因此，這個過程需要外部H₂源或富氫共反應物來促進轉化。例如，使用高壓氫在貴金屬催化劑上將聚烯烴轉化為液態燃料。無需外部氫源的系統對工業特別有吸引力，但目前僅能生成長鏈芳烴或在轉化率低和產生揮發性混合物方面受限。因此，急需開發將聚烯烴轉化為燃油的高效、穩健和經濟的工藝。

二、【創新成果】

基于以上難題，中國科學院化學所韓布興院士、林龍飛研究員、北京師范大學韓雪教授、北京大學楊四海教授等人在Nature Chemistry發表了題為“Upcycling of polyethylene to gasoline through a self-supplied hydrogen strategy in a layered self-pillared zeolite”的論文，報道一種LSP-Z100自柱分子篩（self-pillared zeolite）在240℃和4 h條件下催化聚乙烯轉化為汽油，選擇性為99%，產率為80%。合成的液相產物中的主要產品是支鏈烷烴（選擇性達到72%），其辛烷值達到88.0，這個辛烷值與市售汽油（86.6）非常接近。通過非彈性中子散射光譜、小角中子散射光譜、固態NMR、XAS、同位素標記等表征技術手段，表明分子篩的三配位Al位點有助于聚乙烯分子活化、隨后在Br?nsted酸位點切斷β-化學鍵并發生異構，而且通過自身提供氫的方式在Al位點發生氫化物轉移，選擇性生成支鏈烷烴。本研究表明層狀自柱分子篩催化劑在塑料廢物回收領域具有重大應用前景。文章第一作者是化學研究所博士研究生岑梓榆。

研究人員通過水熱法，以四丁基氨基氫氧化物作為結構導向劑，成功合成了具有自支撐層和MFI/MEL互生結構的LSP-Z100分子篩，它擁有大的外部表面積和介孔結構。

圖1 ?催化劑的結構表征 ? 2024 Springer Nature

將大密度聚乙烯與催化劑以5:1的質量比混合，隨后在N₂氣氛加熱240℃反應4 h。研究人員分別研究LSP-Z100、HZSM-5、HY、USY等微孔分子篩以及LSP、meso-HY、MCM-41、SBA-15等介孔分子篩催化劑，發現只有LSP-Z100具有催化活性。

圖2 ?LSP-Z100的催化活性及穩定性研究 ? 2024 Springer Nature

圖3 ?催化活性位點研究 ? 2024 Springer Nature

研究人員基于原位INS表征和DFT理論計算，提出了LSP-Z100的催化反應機理。

圖4 ?反應機理研究 ? 2024 Springer Nature

三、【科學啟迪】

綜上，LSP結構為材料提供了oFTAl位點和可接觸的Br?nsted酸位點，促進了SSH模式的實現，通過oFTAl位點上的氫抽取、Br?nsted酸位點上的β-斷裂/異構化以及oFTAl位點上的氫轉移共同作用，高選擇性和產率地生成汽油。此外，LSP分子篩對于從低密度和高密度PE廢料（占當今塑料廢物約25%）生產商用級汽油展現出卓越的催化性能。這一途徑的潛在利潤使其具有經濟吸引力。與傳統的基于石油的路線相比，基于PE生產汽油的路線減少了碳排放。結合低能耗輸入、廉價、無貴金屬且高穩定性的催化劑、無需外部氫源以及產品可直接作為交通燃料使用，最小化環境影響，提供了一個通過“廢物轉化化學品”策略減輕未來塑料污染的有希望的解決方案。

原文詳情：Upcycling of polyethylene to gasoline through a self-supplied hydrogen strategy in a layered self-pillared zeolite (Nat. Chem. 2024, DOI: 10.1038/s41557-024-01506-z)

本文由大兵哥供稿。