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浙江大學研究團隊近日在《化學科學與工程前沿》發表重要成果，成功開發出一種高效雙金屬催化劑（NiRu/SiO?），可在溫和條件下將廢棄聚乙烯（PE）塑料高效轉化為高價值液態燃料，同時將甲烷生成量降低69%。這一突破為塑料污染治理提供了新思路，有望推動塑料化學回收技術的工業化應用。

背景：塑料污染的困境與回收挑戰
聚乙烯是全球使用量最大的塑料（占比36%），但其化學結構穩定（僅含C-C骨架），傳統方法難以高效降解。填埋或焚燒不僅污染環境，還造成碳資源浪費。近年來，氫解技術因反應條件溫和、產物可控而備受關注。然而，現有貴金屬催化劑（如釕、鉑）雖能實現聚乙烯高效轉化，但液態產物產率低（通常不足50%），且會生成大量低價值甲烷（占氣體產物50%以上）。如何平衡催化活性與產物選擇性，成為塑料回收領域的核心難題。

研究亮點：雙金屬催化劑的創新設計
浙江大學王凱歌團隊提出“雙金屬協同”策略：以二氧化硅（SiO?）為載體，通過分步浸漬法引入非貴金屬鎳（Ni）與貴金屬釕（Ru），形成Ni-Ru合金結構。這種設計巧妙結合了兩種金屬的特性：

  1. Ru的高活性：負責吸附氫分子并解離為活性氫原子，觸發C-C鍵斷裂。
  2. Ni的調控作用：通過電子轉移改變Ru的表面性質，抑制末端C-C鍵過度斷裂，減少甲烷生成。

實驗表明，NiRu/SiO?催化劑在250℃、3 MPa氫氣的溫和條件下，液態產物（C4-C45）產率高達83.1%，較傳統Ru/SiO?催化劑（65.5%）提升27%。更關鍵的是，甲烷產率從25.9%驟降至10.4%，降幅達69%，且液態產物碳鏈分布向重質組分偏移（如蠟狀產物C23-C45占比46.5%），大幅提升產物的工業價值。

機理揭秘：為何雙金屬催化劑更高效？
研究團隊通過多種表征手段揭示了雙金屬協同的深層機制：

  • 合金結構：X射線衍射（XRD）和透射電鏡（TEM）證實Ni與Ru形成合金，Ru的晶格間距因Ni嵌入發生偏移，改變了活性位點的電子環境。
  • 氫吸附增強：氫氣程序升溫脫附（H?-TPD）實驗顯示，NiRu催化劑表面氫覆蓋率更高，促進反應中間體脫附，避免其進一步分解為甲烷。
  • 丙烷脫附實驗：NiRu催化劑對丙烷（C?H?）中間體的氫解活性顯著低于純Ru催化劑，證明其能“攔截”過度分解路徑，保留長鏈產物。

“這就像一把智能剪刀，”論文第一作者張向坤比喻，“傳統催化劑會無差別剪斷塑料分子鏈，而雙金屬催化劑能選擇性地剪斷特定位置，盡可能保留長鏈結構。”

工業潛力：從實驗室到規模化應用
該技術的優勢不僅體現在高效和環保，還具備工業化潛力：

  1. 成本降低：鎳的引入減少貴金屬釕的用量，催化劑成本下降。
  2. 條件溫和：反應溫度（250℃）和壓力（3 MPa）遠低于傳統裂解工藝（通常需400℃以上），能耗更低。
  3. 產物高值化：液態產物可直接用作燃料或化工原料，而低甲烷產率減少溫室氣體排放。

研究團隊進一步驗證了催化劑的普適性。以正二十烷（C??H??）為模型化合物時，NiRu催化劑同樣表現出對長鏈產物的選擇性保留，證實其機制適用于多種聚烯烴塑料。

未來展望：塑料循環經濟的催化劑
“這項研究為塑料‘升級回收’（Upcycling）提供了新方案，”王凱歌教授表示，“下一步將優化催化劑穩定性，并探索其在混合塑料廢料中的應用。”目前，團隊已與多家環保企業合作，推動該技術的工程放大試驗。

隨著全球“禁塑令”推進和碳減排需求激增，這項技術有望成為塑料循環經濟的關鍵拼圖，助力實現“零廢棄”目標。正如《自然》雜志此前的評論：“塑料不是敵人，低效的回收體系才是。未來屬于那些能將廢塑料變為資源的創新技術。”

來源: 化學工程前沿FCSE