化学所韩布兴院士团队 Nat. Chem.：温和条件下催化转化聚乙烯制备汽油

2024-04-11 来源：高分子科技

将废弃塑料转变为可利用的碳资源对解决塑料污染问题、实现可持续发展具有重要意义。然而，对于聚烯烃类用量大且难转化的废弃塑料，目前，已有的转化策略主要依赖于高反应温度（400℃以上）、贵金属催化剂和外加氢源，从而降低了聚烯烃化学回收的工业化潜力。低成本且低能耗地转化聚烯烃一直是塑料转化领域的挑战之一。

图一层状自支撑分子筛催化聚乙烯转化制备汽油

近日，中国科学院化学研究所韩布兴院士、林龙飞教授，北京大学杨四海教授及北京师范大学韩雪教授的联合科研团队，成功在低温（240 ℃）、无贵金属催化剂、无外加氢源的条件下，将聚乙烯塑料转化为高品质汽油，汽油产率超过80%，选择性高达99%（图一）。该团队充分利用其在生物质转化和分子筛催化领域的长期积累，在本工作中采用具有层状自支撑结构（LSP）的分子筛进行聚烯烃的催化转化。由于LSP分子筛具有丰富的介孔孔道与外比表面积，所以其可与聚烯烃充分接触并高效催化高分子链断裂。值得注意的是，层状的结构使得LSP比常规分子筛具有更加丰富Q2,Q3硅物种，还具有更强的Lewis酸位点，其吸附的吡啶分子在450℃下仍无法脱附（图二）。

图二层状自支撑分子筛的结构与性质表征

通过有机膦探针分子吸附的³¹P NMR，研究者发现LSP分子筛的超强Lewis酸位点是独特的骨架三配位铝（oFTAl）位点（图三）。oFTAl位点的存在能加速氘代正己烷与非氘代异戊烷之间的H/D交换（图三），从而说明该位点能加快聚烯烃分子链的活化，并且促进氢转移反应，高效催化一部分聚烯烃芳构化并为生成的烯烃提供氢，从而在无外加氢源的条件下产生以烷烃为主的汽油组分。

图三骨架三配位铝oFTAl位点的表征

最后，研究者通过非弹性中子散射研究了聚乙烯转化的完整路径（图四）。首先，LSP分子筛的Br?nsted酸位点和oFTAl位点共同活化聚乙烯C-H键并产生碳正离子，然后聚乙烯经过β-裂解和异构化产生短链异构烯烃，另一部分聚乙烯链芳构化产生氢，最后通过氢转移反应使异构烯烃被加氢并转化为异构烷烃，形成以异构烷烃为主的汽油产物。

图四通过非弹性中子散射谱研究聚乙烯转化机理

该研究为解决废弃聚乙烯塑料的环境污染问题以及资源化利用提供了新的路线。该工作以“Upcycling of polyethylene to gasoline through a self-supplied hydrogen strategy in a layered self-pillared zeolite”为题在国际学术期刊Nature Chemistry上发表。文章第一作者是化学研究所博士研究生岑梓榆。该研究得到国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41557-024-01506-z

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（责任编辑：xu）

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