北京
塑料是不容忽視的白色污染。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，2023 年全球塑料年產(chǎn)量在 4 億噸以上，但其中被回收利用的塑料僅占 18%，其余的塑料通常被焚燒、填埋或泄漏到自然生態(tài)系統(tǒng)，可能在環(huán)境中存在數(shù)十年甚至上百年。
近日，英國劍橋大學(xué)團(tuán)隊(duì)為解決全球塑料垃圾問題提供了一種新方案。他們研發(fā)了一種太陽能反應(yīng)器，利用從廢舊汽車電池中回收的酸液能夠分解傳統(tǒng)方法難以回收的塑料垃圾，例如飲料瓶、尼龍、聚氨酯（PU）等，并將它們轉(zhuǎn)化成清潔的氫燃料和具有工業(yè)價(jià)值的乙酸。
（來源：劍橋大學(xué)）
該研究的關(guān)鍵創(chuàng)新在于，研究人員設(shè)計(jì)了一種不含貴金屬的高效光催化劑（CoMoS?-CN?），它不僅能耐受強(qiáng)酸，還能通過太陽能驅(qū)動(dòng)分解廢舊汽車電池中的酸。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，產(chǎn)氫量高、選擇性高，連續(xù)運(yùn)行 260 小時(shí)仍能保持性能不衰減。
該方法由太陽能驅(qū)動(dòng)，成本比現(xiàn)有化學(xué)方法低 1 個(gè)數(shù)量級(jí)，且酸液可重復(fù)利用。這種方法創(chuàng)建了一個(gè)新的循環(huán)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)“廢酸分解廢塑料”，有望成為塑料升級(jí)回收的補(bǔ)充方案。相關(guān)論文發(fā)表于 Joule。
未來或許可以在社區(qū)里建一個(gè)小型裝置，把收集來的塑料瓶扔進(jìn)去，加上回收的廢酸，太陽一曬，就能產(chǎn)出氫氣和醋酸。這樣既處理了垃圾，又產(chǎn)生了能源和化學(xué)品，還產(chǎn)生了經(jīng)濟(jì)收益。
圖丨相關(guān)論文（來源：Joule）
以往的研究中，在強(qiáng)酸條件下穩(wěn)定運(yùn)行的光催化體系極為少見，因?yàn)樗鼤?huì)溶解所有物質(zhì)。長期以來酸被用于分解塑料，但問題在于，此前領(lǐng)域內(nèi)尚未找到一種兼具廉價(jià)、大規(guī)模生產(chǎn)以及耐受酸的光催化劑。
這項(xiàng)研究源于研究人員的一次偶然發(fā)現(xiàn)。研究團(tuán)隊(duì)在硫氰酸鉀鹽熔處理過程中，以原位生成的硫化氫氣體為硫源，直接在氰胺功能化的氮化碳骨架內(nèi)將金屬氧化物前體硫化處理，成功制備出鈷促進(jìn)的二硫化鉬復(fù)合氮化碳光催化劑。
（來源：劍橋大學(xué)）
他們首先用汽車電池廢酸對(duì)廢塑料進(jìn)行處理，將長聚合物鏈分解為乙二醇等化學(xué)構(gòu)件，然后在陽光照射和光催化劑作用下，再將這些成分進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為氫氣和乙酸。
新型催化劑不僅解決了酸的穩(wěn)定性難題，還展現(xiàn)出優(yōu)異的催化活性，在 405 納米 LED 光照條件下，從聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）廢料中產(chǎn)生的氫氣產(chǎn)率可達(dá)每克催化劑 1.9 毫摩爾，量子產(chǎn)率為 9.0%，在 PU 的產(chǎn)氫量可達(dá)每克催化劑 4.2 毫摩爾。
需要了解的是，在光重整體系中，大多數(shù)體系產(chǎn)物是復(fù)雜的混合物，而新型催化劑作用下，醋酸選擇性高達(dá) 89%。
（來源：Joule）
與傳統(tǒng)的堿性水解相比，酸解速度提升了 3.5 倍，且對(duì)苯二甲酸會(huì)從水解液中直接沉淀析出，無需額外的 pH 調(diào)節(jié)步驟。值得關(guān)注的是，它在連續(xù)運(yùn)行 260 多個(gè)小時(shí)期間，性能仍未表現(xiàn)出下降趨勢。
現(xiàn)有的技術(shù)難以處理 PET 以外的塑料，而該方法對(duì)多種類型的塑料廢棄物具有普適性，例如目前難以回收的尼龍和 PU 等塑料成分。研究人員對(duì)相關(guān)成分進(jìn)行了測試，在這種太陽能反應(yīng)器的作用下，不僅可產(chǎn)生高產(chǎn)氫量還同步生產(chǎn)高選擇性的乙酸。
該方法除了適用于新的實(shí)驗(yàn)室級(jí)酸之外，也可對(duì)從汽車電池中回收的酸發(fā)揮作用。通常來說，這些電池的酸含量在 20% 到 40% 之間（按體積計(jì)），每年在全球范圍內(nèi)被大量更換。人們通常會(huì)將汽車電池中的鉛提取出來再次出售，但酸在安全中和后會(huì)產(chǎn)生額外的廢物。
研究團(tuán)隊(duì)指出，在中和酸之前將它們收集起來，并不斷利用其分解塑料，是一種新的可持續(xù)性資源。它“一箭雙雕”的效果體現(xiàn)在：不僅省去了中和酸所消耗的環(huán)境成本，還能利用它來生產(chǎn)清潔的氫氣。
更重要的是，與其他光重整方法相比，這種新方法成本可降低 1 個(gè)數(shù)量級(jí)左右，原因在于這種酸可提高氫氣生產(chǎn)率、重復(fù)使用，而不是被消耗或浪費(fèi)。
當(dāng)然，這項(xiàng)研究現(xiàn)階段仍存在一定局限性，盡管初步驗(yàn)證了化學(xué)原理，但需要進(jìn)一步確認(rèn)反應(yīng)堆是否能夠承受腐蝕性條件。當(dāng)下，在工業(yè)領(lǐng)域已能夠安全處理這些酸，但研究人員提出，現(xiàn)在的問題是：應(yīng)該如何建造可連續(xù)運(yùn)行并處理實(shí)際廢棄物的反應(yīng)器？
研究團(tuán)隊(duì)透露，這種新方法不會(huì)取代傳統(tǒng)的回收利用，但可以作為一種補(bǔ)充方案，幫助處理現(xiàn)有技術(shù)無法處理的塑料污染或混合塑料。
參考資料：
相關(guān)論文：https://doi.org/10.1016/j.joule.2026.102347
https://www.cam.ac.uk/research/news/researchers-turn-recovered-car-battery-acid-and-plastic-waste-into-clean-hydrogen
運(yùn)營/排版：何晨龍
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