将废弃混合塑料直接升级转化为单一用途、高附加值产品是一项极具吸引力的目标，然而不同塑料物理化学性质的显著差异以及各组分之间的相互中毒效应，可能会阻碍在温和条件下对混合塑料中各种化学键的活化和断裂。
2026年05月11日，南京大学景亚轩/瞿晓磊、华东理工大学王志强团队合作在Energy & Environmental Science期刊发表题为“Direct upcycling of mixed plastic waste into liquid alkanes”的研究论文，南京大学冉宏顺、华东理工大学沈润杰为论文共同第一作者，景亚轩、瞿晓磊、王志强为论文共同通讯作者。
第一作者：冉宏顺、沈润杰
通讯作者：景亚轩、瞿晓磊、王志强
通讯单位：南京大学、华东理工大学
论文DOI：10.1039/D5EE07522J
该研究首次报道了在无溶剂条件下，于250℃使用Ru/CeO₂ + Re/CeO₂复合催化剂，将包含聚烯烃和含氧塑料的混合塑料直接加氢转化为液体烷烃。该混合塑料无需任何预处理，所得液体烷烃无需复杂的分离过程即可直接用作运输燃料。这消除了过程中对不同产物类型进行分离的难题。与传统的Ru催化剂相比，Ru/CeO₂ + Re/CeO₂的独特性能源于其有效消除了含氧物种引起的中毒效应，并显著增强了断裂C–C键和C–O键的能力。总之，与传统的单一塑料转化路径不同，该工艺为废弃混合塑料的直接回收提供了一种可持续且高成本效益的解决方案，从而为推动塑料循环经济提供了一条可行途径。
自发明以来，塑料因其化学稳定性、轻质和成本效益而彻底改变了人类社会。在需求不断增长的驱动下，2022年全球塑料产量达到约400兆吨（Mt），预计到2060年将超过1.2吉吨（Gt）。然而，许多塑料产品固有的短使用寿命及其在环境中长期持久性并存，导致塑料废弃物在环境中快速积累。为应对这一挑战，创新的化学回收技术已被快速开发和应用，以建立循环塑料经济。
尽管化学回收取得了显著进展，但大多数工艺主要关注单一种类废弃塑料的回收，而将现实生活中的混合塑料废弃物高效升级转化仍然是一项重大挑战。商品塑料如聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚对苯二甲酸丁二醇酯（PBT）、聚碳酸酯（PC）被广泛应用于消费品中，这些消费品通常包含多种塑料的复杂混合物，例如多层包装。更重要的是，消费后的塑料废弃物也包含多种塑料类型。传统的回收策略通常针对特定的聚合物流，并依赖于对单个塑料的预先分离，难以直接转化混合塑料。随后，每种组分分别进行回收。然而，这种包括洗涤、分选和筛选的分离过程不仅增加了复杂性，而且还带来了巨大的成本效益。在不进行大量预处理的情况下直接催化转化混合塑料废弃物是非常可取的。然而，由于不同塑料的物理化学性质存在显著差异，加上组分间的相互作用以及极性元素对活性位点的毒化作用，这极大地阻碍了单个聚合物组分内化学键的活化和断裂。
聚烯烃塑料的年产量（主要依靠C–C键作为主要连接键，例如PE和PP）占塑料总产量的63%。此外，含氧塑料（每个单体主要通过C–O键连接，例如PET、PBT、PC、PPO等）是广泛使用的商品聚合物。聚烯烃和含氧塑料的累计产量超过塑料总产量的77%，消费后的聚烯烃和含氧塑料的混合物已成为现实塑料废弃物流中最常见的组分之一。聚烯烃的化学降解可通过多种方法实现，包括氢解、加氢裂化、热解、氧化以及串联催化策略。对于含氧塑料，主要的降解方法包括氢解、醇解、水解、糖酵解等。如果能够同时实现聚烯烃中C–C键和含氧塑料中C–O键的氢解断裂，混合塑料将被转化为液体烷烃。液体烷烃无需复杂分离即可用作燃料，满足广泛的应用需求。目前，液体烷烃主要通过化石原油的催化裂化生产。混合塑料废弃物的催化共转化减少了预分选和产物分离，具有显著的经济效益。一项关键挑战在于设计一种无溶剂、多功能催化体系，该体系能同时具备C–C键断裂、C–O键断裂和H₂活化能力。到目前为止，尚无催化体系能实现这一目标。
在此，该研究首次报道了在无溶剂条件下，于250℃使用物理混合的Ru/CeO₂和Re/CeO₂催化剂，将包含聚烯烃和含氧塑料的混合塑料直接氢解为液体烷烃。传统Ru催化剂由于在降解过程中形成的含氧中间体导致中毒而性能不佳。其优越的性能源于：(ⅰ) ReOₓ促进的毒化物种的加氢脱氧，从而降低了活性RuOₓ位点附近这些物种的局部浓度；(ⅱ) 有利的吸附平衡加速了C–O和C–C键的断裂；(ⅲ) ReOₓ促进的氢溢流，在催化剂表面提供了足够的活性氢物种。此外，该催化体系在将九种消费后塑料废弃物混合物高效转化为液体烷烃方面表现出稳健的性能。生命周期评估表明，与传统的串联回收路线相比，成本降低了48.8–72.2%，温室气体排放减少了28.8–56.3%。这种新颖策略同时解决了传统工艺中长期存在的混合塑料分离或所得混合产物分离的难题。
图1. 混合塑料解聚途径示意图：(a) 传统降解路径；(b) 本研究中提出的无溶剂混合塑料直接氢解。(c) LDPE和(d)混合塑料在不同Ru基催化剂以及不同Ru/CeO₂+M/CeO₂催化剂 (M = Re, W, Al, Fe, Ni, Mo)上的氢解结果。(e) 混合塑料 (PE和PET) 产物的详细碳分布。(f) 固体残留物的TG曲线。反应条件：T = 250°C, t = 12 h, PH2=3 MPa, mLDPE=1.00 g, mPET=0.25 g, mRu基催化剂=50 mg, mRe/CeO₂=50 mg。
图2. (a-b) (a) Ru/CeO₂和(b) RuRe/CeO₂的TEM图像。(c-d) (c) Ru/CeO₂和(d) RuRe/CeO₂的HRTEM图像。(e-f) (e) Ru/CeO₂和(f) RuRe/CeO₂的HAADF-STEM图像及对应的Ce（绿色）、O（黄色）和Ru（紫色）的EDS元素面分布图。(g) XRD谱图。(h-j) 不同波数范围的拉曼光谱。
图3. (a) H₂-TPR谱图。(b) SR-XPS的Ru 3d和C1s谱图。(c) XPS的Re 4f谱图。(d) CO-DRIFTS谱图。(e) XANES谱图。(f) EXAFS谱图。(g-k) (g) RuO₂, (h) Ru/CeO₂+Re/CeO₂, (i) RuRe/CeO₂, (j) Ru/CeO₂, 和(k) Ru箔的Ru K-edge小波变换EXAFS谱图。(l) RuRe/CeO₂和Ru/CeO₂+Re/CeO₂的结构示意图。
图4. (a)、(b) Ru/CeO₂和Ru/CeO₂+Re/CeO₂对不同模型底物氢解的催化性能。T = 250°C, t = 2 h, PH2=2 MPa, mRu/CeO₂=20 mg, mRe/CeO₂= 20 mg, mn-eicosane= 0.5 g, mother model compounds= 0.1 g。(c) 苯甲酸乙酯-TPD谱图。(d) H₂-TPD谱图。(e) Ru/CeO₂+Re/CeO₂上的原位H₂-DRIFTS谱图和(f) H–D同位素交换DRIFT谱图。(g-i) 计算得到的H₂在RuRe/CeO₂和Ru/CeO₂+Re/CeO₂表面的吸附和迁移结构及能量分布。
图5. (a-b) 在N₂气氛下，质量比为4:1的十二烷和苯甲酸乙酯混合物在Ru/CeO₂+Re/CeO₂上吸附的DRIFTS谱图。(c) 在H₂气氛下，300°C时包含DMT和LDPE的混合底物在Ru/CeO₂+Re/CeO₂上进行氢解的时间分辨原位FT-IR谱图。(d) 提出的Ru/CeO₂+Re/CeO₂上混合塑料氢解的反应路径及Ru/CeO₂上的中毒机制。
图6. (a-i) 多种混合塑料在Ru/CeO₂+Re/CeO₂上的氢解。(a-d) T = 250°C, t = 12 h, PH2=3 MPa, mpolyolefins= 1.00 g, mO-containing plastics= 0.25 g, mRu/CeO₂= 50 mg, mRe/CeO₂= 50 mg。(e) t = 20 h, 其他条件同(a-d)。(f-i) T = 270°C, 其他条件同(a-d)。
总之，该研究首次报道了使用Ru/CeO₂+Re/CeO₂复合催化剂，在温和条件下无溶剂直接将包括聚烯烃和含氧塑料在内的混合塑料氢解为液体烷烃燃料。ReOₓ物种的存在促进了有毒化合物的加氢脱氧，从而降低了活性Ru物种附近的局部浓度，结合有利的吸附平衡加速了C–O和C–C键断裂，以及增强的氢溢流，协同驱动了混合塑料的高效转化。值得注意的是，该催化体系在无需预先分离的情况下，转化多种混合塑料时展现出稳健且高效的性能。生命周期评估（LCA）表明，该方法能显著减少塑料废弃物回收的碳足迹并提高成本效益。所得液体烷烃无需复杂纯化即可直接用作燃料。与传统的单一塑料转化路径不同，该工艺为废弃混合塑料的直接回收提供了一种可持续且高成本效益的解决方案，从而为推动塑料循环经济提供了一条可行途径。
