近日，浙江大學清潔能源利用國家重點實驗室王凱歌教授團隊在《化學科學與工程前沿》發表了一項突破性研究，成功開發出一種高效雙金屬催化劑（NiRu/SiO?），可在溫和條件下將低密度聚乙烯（LDPE）轉化為高價值液體燃料，同時將甲烷生成量大幅降低69%。這一成果為塑料垃圾的化學回收提供了全新的解決方案，并有望緩解塑料污染與溫室氣體排放的雙重環境壓力。

塑料回收的困境：為何聚乙烯如此“頑固”？

聚乙烯（PE）是日常生活中最常見的塑料之一，占全球塑料消費總量的36%。從塑料袋到食品包裝，其廣泛應用也帶來了巨大的環境負擔——傳統物理回收方法難以處理受污染的PE廢料，而填埋或焚燒則會導致微塑料擴散和二氧化碳排放。更棘手的是，PE的化學結構極其穩定：僅由碳-碳單鍵構成的長鏈分子缺乏活性基團，難以通過常規化學手段高效分解。

近年來，科學家將目光投向加氫裂解技術——在氫氣氛圍中，通過催化劑切斷塑料分子鏈，將其轉化為液態烷烴燃料或化工原料。然而，現有貴金屬催化劑（如釕Ru、鉑Pt）雖能實現高轉化率，卻存在顯著缺陷：反應中產生大量低價值的甲烷（占氣體產物的50%以上），不僅降低經濟性，還加劇了溫室效應。

雙金屬催化劑的“協同效應”：從“甲烷工廠”到“液體燃料庫”

王凱歌團隊的研究首次將非貴金屬鎳（Ni）與釕（Ru）結合，制備出雙金屬NiRu/SiO?催化劑。實驗表明，該催化劑在250℃、3 MPa氫氣的溫和條件下，可將LDPE的液體產物收率從單金屬Ru催化劑的65.5%提升至83.1%，同時將甲烷產量從33.5%銳減至10.4%，降幅達69%。

這一突破得益于Ni與Ru的“合金效應”。通過X射線衍射（XRD）和透射電鏡（TEM）分析，研究人員發現鎳原子嵌入釕的晶格結構中，形成獨特的Ni-Ru合金。這種結構不僅增強了催化劑表面對氫氣的吸附能力，還改變了反應中間體的脫附路徑。傳統Ru催化劑會促使聚乙烯長鏈從末端持續斷裂，生成大量甲烷；而雙金屬催化劑則通過強化中間產物的脫附，避免“鏈式裂解”，使產物向更重的液態烴（C?–C??）傾斜。

科學背后的機制：氫氣“搬運工”與甲烷“剎車片”

研究團隊通過氫程序升溫脫附（H?-TPD）和丙烷吸附實驗揭示了催化機制。Ni-Ru合金表面具有更強的氫吸附能力，形成高密度的活性氫覆蓋層。這些氫原子像“搬運工”一樣，加速將斷裂的聚乙烯片段轉化為液態烷烴并促使其快速脫附，而非進一步分解為甲烷。此外，鎳的引入還抑制了末端C-C鍵的斷裂，如同為甲烷生成安裝了“剎車片”。

值得注意的是，鎳的添加量需精確控制。當鎳負載量達1%時，液體產物收率最高；過量鎳會覆蓋釕的活性位點，導致催化劑失活。這一發現為未來催化劑的優化設計提供了關鍵參數。

從實驗室到產業：塑料循環經濟的曙光

目前，全球塑料回收率不足10%，而這項技術可將廢棄聚乙烯直接轉化為柴油、潤滑油等高附加值產品，且反應條件溫和（遠低于傳統熱解所需的500℃以上），能耗大幅降低。研究團隊進一步驗證了催化劑的普適性：在正二十烷（C??H??）模型化合物的加氫裂解中，雙金屬催化劑同樣表現出對長鏈產物的選擇性，證實其工業化應用的潛力。

“這項研究為‘塑料變石油’提供了更環保、更經濟的路徑，”論文通訊作者王凱歌教授表示，“下一步我們將與化工企業合作，開發規模化反應裝置，推動催化劑的實際應用。”

挑戰與展望

盡管成果顯著，塑料加氫裂解仍面臨原料預處理、催化劑壽命、成本控制等產業化難題。例如，真實垃圾中的PE常與其他塑料或雜質混合，可能影響催化劑活性。此外，貴金屬釕的價格較高，如何通過回收技術降低催化劑成本也是關鍵。

無論如何，這項研究為塑料污染治理注入了新希望。隨著雙金屬催化劑的優化與工藝升級，或許不久的將來，隨手丟棄的塑料袋將不再是環境的負擔，而是循環經濟中的“黑色黃金”。

來源: 化學工程前沿FCSE