導(dǎo)讀

近日，中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院農(nóng)業(yè)生物質(zhì)資源利用工程實(shí)驗(yàn)室張學(xué)松教授課題組在系列自然指數(shù)期刊ACS Nano、Nano Letters（3篇）、Chemical Communications連續(xù)發(fā)表5篇研究論文。研究圍繞典型廢塑料的化學(xué)結(jié)構(gòu)特性，開發(fā)出一系列高性能催化材料與工藝，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)化路徑的精準(zhǔn)調(diào)控，為廢塑料的高值化與資源化利用提供了系統(tǒng)性的可持續(xù)技術(shù)方案。

塑料在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，但由此產(chǎn)生的廢棄物對(duì)生態(tài)環(huán)境與公共健康帶來的危害正日益凸顯。通過化學(xué)回收將塑料廢棄物升級(jí)轉(zhuǎn)化為綠氫、碳材料、可持續(xù)航空燃料等高附加值產(chǎn)品，被視為兼具環(huán)境效益與資源效益的有效路徑。然而，現(xiàn)有催化體系普遍面臨成本高、轉(zhuǎn)化效率低、產(chǎn)物選擇性不佳等挑戰(zhàn)，亟待開發(fā)適配不同塑料類型的高性能催化材料，以實(shí)現(xiàn)反應(yīng)路徑的精準(zhǔn)調(diào)控與目標(biāo)產(chǎn)物的高效合成。

廢塑料原位變身電催化劑橋接熱?電催化聯(lián)產(chǎn)綠氫

該系列研究首先從直鏈結(jié)構(gòu)的聚乙烯塑料入手，開創(chuàng)性地提出一種可持續(xù)集成策略，將聚乙烯廢塑料耦合轉(zhuǎn)化為高性能電催化劑和高純度綠氫。課題組設(shè)計(jì)了一種負(fù)載Ni納米顆粒的微孔碳催化劑，實(shí)現(xiàn)對(duì)聚乙烯塑料的高效熱催化轉(zhuǎn)化，H2產(chǎn)率達(dá)55.26 mmol g-1 plastic。此過程的核心突破在于原位合成廢塑料衍生的Ni-CNTs-OMC納米復(fù)合材料并應(yīng)用于電催化析氫反應(yīng)，其在堿性電解質(zhì)中展現(xiàn)出優(yōu)異的催化性能，僅需215 mV過電位即可驅(qū)動(dòng)10 mA cm-2的電流密度，且歷經(jīng)15000次循環(huán)后未見明顯性能衰減。

該研究在分子水平上揭示了廢塑料衍生電催化劑通過Ni封裝結(jié)構(gòu)調(diào)控碳納米管電子分布，強(qiáng)化電極-電解液界面氫鍵網(wǎng)絡(luò)，降低水分子解離能壘并優(yōu)化氫中間體吸附，進(jìn)而加速析氫反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的機(jī)理。這一新進(jìn)展為廢塑料熱催化資源化利用與電催化清潔能源生產(chǎn)構(gòu)建了橋梁。研究成果以《塑料熱催化升級(jí)回收制備鎳封裝碳納米管電催化劑用于綠氫生產(chǎn)》（Thermocatalytic Upcycling of Plastic into Ni-Encapsulated Carbon Nanotube Electrocatalysts for Green Hydrogen Production）為題在《美國化學(xué)會(huì)納米》（ACS Nano）發(fā)表。

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c19481?ref=pdf

農(nóng)業(yè)聚乙烯廢塑料化學(xué)升級(jí)回收為納米復(fù)合材料橋接熱催化-電催化聯(lián)產(chǎn)綠氫的過程

微孔碳解鎖廢聚乙烯制取液體燃料新路徑

針對(duì)傳統(tǒng)金屬-沸石體系在聚乙烯化學(xué)升級(jí)回收中存在的過度裂解、易失活等問題，課題組提出一種無貴金屬的分級(jí)熱催化降解級(jí)聯(lián)策略，設(shè)計(jì)并合成了鋅功能化、富含氧官能團(tuán)和布朗斯特酸位點(diǎn)的微孔碳催化劑，實(shí)現(xiàn)聚乙烯向燃料范圍正構(gòu)烷烴和輕質(zhì)芳烴的選擇性轉(zhuǎn)化，對(duì)汽油（C4-C12）和可持續(xù)航空燃料（C8-C16）范圍烴類的碳選擇性分別達(dá)89.65 mol%和71.68 mol%。原位傅里葉變換紅外光譜揭示了在分子精度引導(dǎo)異構(gòu)化和鏈裂解的碳正離子錨定機(jī)制。

該級(jí)聯(lián)體系在升級(jí)回收多種真實(shí)農(nóng)業(yè)廢塑料時(shí)同樣有效，為聚乙烯塑料的可控、規(guī)?；瘜W(xué)回收構(gòu)建了路徑。研究成果以題《構(gòu)建用于聚乙烯升級(jí)回收中可控鏈裂解與芳構(gòu)化的微孔鋅功能化碳催化劑》（Engineering Microporous Zn-Functionalized Carbon Catalysts for Controllable Chain Cracking and Aromatization in Polyethylene Upcycling）發(fā)表于《納米快報(bào)》（Nano Letters）。

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.5c05930?ref=pdf

農(nóng)業(yè)聚乙烯廢塑料通過微孔碳催化轉(zhuǎn)化為正構(gòu)烷烴和輕質(zhì)芳烴的化學(xué)升級(jí)回收過程

三元納米活性中心協(xié)同構(gòu)筑支鏈烯烴

針對(duì)聚丙烯的復(fù)雜支鏈結(jié)構(gòu)，課題組開發(fā)出NiO-NiAl2O4-Al2O3三元活性納米復(fù)合材料，旨在生產(chǎn)異構(gòu)烯烴這一重要化工原料。通過將NiO/NiAl2O4納米顆粒尺寸調(diào)控至約5 nm，顯著提升了活性位點(diǎn)密度與界面反應(yīng)活性。催化劑可在30次循環(huán)中保持高穩(wěn)定性和活性，液體產(chǎn)率最高達(dá)63.33 wt%，且以異構(gòu)烯烴為主。對(duì)真實(shí)廢棄物進(jìn)行回收時(shí)，產(chǎn)物中汽油（C4–C12）選擇性高達(dá)90.18 mol%。原位傅里葉變換紅外光譜揭示了三元位點(diǎn)的協(xié)同機(jī)制：路易斯酸位點(diǎn)誘導(dǎo)聚丙烯鏈活化與預(yù)裂解，NiO/NiAl2O4位點(diǎn)促進(jìn)脫氫與C-C鍵斷裂，Al2O3酸性位點(diǎn)參與異構(gòu)化與芳構(gòu)化。

該工作為聚丙烯塑料的高值化利用提供了新途徑。研究成果以題《三元活性NiO?NiAl2O4?Al2O3納米復(fù)合材料選擇性升級(jí)回收聚丙烯制液態(tài)支鏈烯烴》（Ternary-Active NiO?NiAl2O4?Al2O3 Nanocomposite for Selective Upcycling of Polypropylene into Liquid Branched Olefins）發(fā)表于《納米快報(bào)》（Nano Letters）。

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.5c02752?ref=pdf

廢棄聚丙烯通過三元活性納米復(fù)合催化劑催化轉(zhuǎn)化為高值化學(xué)品的化學(xué)升級(jí)回收過程

聚丙烯向支鏈α-烯烴的高值跨越

圍繞異構(gòu)α-烯烴這一高附加值工業(yè)原料，課題組提出基于M-Zn共摻雜分級(jí)多孔碳（M-Zn/HPC）的熱解-催化升級(jí)策略。其中，雙金屬M(fèi)o2C-Zn/HPC催化劑性能最優(yōu)，液態(tài)產(chǎn)物產(chǎn)率達(dá)887.3 mL/kgplastic，異構(gòu)α-烯烴選擇性高達(dá)54.5 Cmol%。機(jī)理研究表明，聚丙烯首先通過自由基斷裂生成中間體，隨后在Mo2C-Zn/HPC的雙活性中心進(jìn)行催化重整。晶格畸變的Mo2C促進(jìn)了C-H鍵的活化，并與Zn/HPC的酸性位點(diǎn)協(xié)同促進(jìn)β斷裂等反應(yīng)，從而高效生成異構(gòu)α-烯烴。

該催化劑對(duì)日常生活中的塑料廢棄物同樣展現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性，為工業(yè)化應(yīng)用提供了理論依據(jù)和技術(shù)思路。研究成果以題《多級(jí)孔碳負(fù)載Mo2C-Zn納米簇催化塑料升級(jí)制備長鏈異構(gòu)α-烯烴》（Long-Chain Branched α-Alkenes from Plastic Upcycling Using Mo2C-Zn Nanoclusters Embedded on Hierarchical Porous Carbon）發(fā)表于《納米快報(bào)》（Nano Letters）。

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.5c05628?ref=pdf

雙金屬M(fèi)o2C-Zn/HPC催化聚丙烯轉(zhuǎn)化為異構(gòu)α-烯烴的反應(yīng)路徑

鈣鈦礦雙活性中心破解聚酯塑料制氫難題

基于聚烯烴體系的研究基礎(chǔ)，課題組進(jìn)一步攻克結(jié)構(gòu)含氧的聚酯塑料，開發(fā)出蒸汽強(qiáng)化熱催化降解技術(shù)，將聚酯塑料高效、穩(wěn)定地轉(zhuǎn)化為富氫氣體。該研究采用溶膠凝膠-分級(jí)煅燒法合成了氧空位濃度可調(diào)控的NiO-Ce1-xNixO2雙活性位點(diǎn)鈣鈦礦型催化劑，并通過聚酯塑料的催化降解過程對(duì)其催化性能進(jìn)行評(píng)估。CeNiO3催化降解聚酯塑料所得H2產(chǎn)率與碳轉(zhuǎn)化率最高，分別達(dá)54.58 mmol gPET-1和83.13%。原位傅里葉變換紅外光譜揭示了催化反應(yīng)機(jī)理：Niδ+-Ov-Ce3+位點(diǎn)具有較強(qiáng)的電荷轉(zhuǎn)移能力和更高的氧空位濃度，能促進(jìn)CO吸附和H2O解離，從而展現(xiàn)出極佳的催化性能。

該研究開發(fā)出一條可調(diào)控的廢塑料定向低碳轉(zhuǎn)化路徑。研究成果以題《用于催化升級(jí)回收PET制備氫氣的NiO-Ce1-xNixO2雙活性位點(diǎn)納米復(fù)合材料》（A dual-active NiO-Ce1-xNixO2 nanocomposite for catalytically upcycling PET into H2）發(fā)表于《化學(xué)通訊》（Chemical Communications）。

https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2025/CC/D5CC01304F

催化劑的晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)及其催化降解聚酯塑料的反應(yīng)機(jī)理

中國農(nóng)業(yè)大學(xué)為第一和通訊作者單位，研究生王錦、程晴、江源、劉芳杞、單純?yōu)橄嚓P(guān)論文的第一作者，張學(xué)松教授為論文的通訊作者，韓魯佳教授在研究過程中全程提供支持與指導(dǎo)。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、國家現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系和中國農(nóng)業(yè)大學(xué)2115人才培育發(fā)展計(jì)劃的資助。

來源：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)