南京大学,EES!无溶剂共转化:协同催化实现混合塑料一步变烷烃燃料

点击蓝字，关注我们，每天有干货

第一作者：冉宏顺、沈润颉

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

慧算

研究背景

废弃塑料的累积已成为严峻的全球环境挑战。化学回收是实现循环塑料经济的关键，但现有技术多聚焦于单一塑料的转化，难以直接处理现实中复杂的混合塑料废弃物。聚烯烃与含氧塑料的混合物是废塑料流中占比最大、最常见的组分之一，其物理化学性质差异巨大，且反应过程中含氧中间体会毒化传统催化剂，导致难以在温和条件下不加预处理地实现混合塑料的高效、选择性转化。

慧算

研究亮点

本研究首创了一种无溶剂、多功能催化策略，在250°C下，通过物理混合的Ru/CeO₂ 和 Re/CeO₂ 催化剂，成功实现了未经预处理的聚烯烃-含氧混合塑料直接加氢转化为液体烷烃燃料。该策略的核心优势在于：ReOₓ组分能消除含氧物种对Ru活性位的中毒，并促进氢溢流，协同增强了C–C和C–O键的断裂能力。生命周期评估显示，该工艺可将成本降低48.8–72.2%，温室气体排放减少28.8–56.3%，为混合塑料的高值化、低碳回收提供了革命性方案。

慧算

研究内容

本研究旨在攻克废弃混合塑料（特别是聚烯烃与含氧塑料）难以不经分离而直接、高效转化为单一高值产品的核心难题。研究团队设计并采用了一种物理混合的双功能催化剂体系，即Ru/CeO₂ 与 Re/CeO₂ 的简单组合，在250°C、无溶剂的温和条件下对混合塑料进行加氢转化。

深入的机理研究揭示了该复合催化剂体系的协同作用机制：1) 解“毒”：在反应中，含氧塑料降解产生的含氧中间体会强烈吸附并毒化传统的Ru活性中心，使其失活。而引入的ReOₓ组分能够高效催化这些含氧中间体的加氢脱氧，将其转化为惰性产物，从而大幅降低Ru位点周围的局部毒物浓度，保护了其加氢裂解活性。2) 供“氢”与断“键”：ReOₓ还能促进H₂的活化与氢溢流，为反应界面提供充足的活性氢物种。同时，Re与Ru的协同优化了反应物在催化剂表面的吸附平衡，共同显著增强了C–C键（来自聚烯烃）和C–O键（来自含氧塑料）的断裂效率。

得益于此协同机制，该催化体系展现出卓越的性能与普适性：它能将包括消费后废塑料在内的九种塑料混合物高效转化为C₅–C₂₂的液体直链烷烃，可直接作为运输燃料使用，无需复杂分离。生命周期评估进一步证实，该直接转化工艺相较于传统的“分离-分别处理”串联路线，在生产成本和碳排放方面均具有压倒性优势。该工作为塑料循环经济提供了一条极具成本效益与环境效益的颠覆性技术路径。

慧算

图文速览

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, P_H2=3 MPa, m_LDPE=1.00 g, m_PET=0.25 g, m_{Ru基催化剂}=50 mg, m_Re/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, P_H2=2 MPa, m_Ru/CeO₂=20 mg, m_Re/CeO₂= 20 mg, m_n-eicosane= 0.5 g, m_{other 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, P_H2=3 MPa, m_polyolefins= 1.00 g, m_{O-containing plastics}= 0.25 g, m_Ru/CeO₂= 50 mg, m_Re/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)。

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。

景亚轩，华东理工大学应用化学学士，工业催化博士（导师：王艳芹教授），新加坡国立大学化学工程联合培养博士（导师：颜宁教授），上海市超级博士后。以第一/通讯作者发表论文31篇，包括Nature子刊/Angew/Chem/Acc Chem Rec (共6篇)，ACS Catal (7篇) ，High cited paper 3篇，其中JCR一区25篇，IF>10论文18篇。主持国家级（面上、青年）、省部级、企业科研项目和教改项目8项。入选全球前2%顶尖科学家榜单（World's Top 2% Scientists），获WSETC Early Career Award，IChemE & CCST Young Investigator Award，石化联合会—可持续发展青年创新奖，南京大学绿叶奖教金等荣誉十余项，Green Carbon和EcoEnergy期刊青年编委。受邀担任Nat. Commun., Angew等30余个知名期刊审稿人，受邀担任基金委通讯评审专家，欧洲研究委员会European Research Council（ERC）基金国际评审专家，多个省/市级科技项目评审专家，高级职称材料外审专家，教育部学位论文评审专家等。近两年指导学生获国家奖学金、江苏省研究生创新基金、优秀研究生等荣誉十余次。

瞿晓磊，男，南京大学环境学院教授、博士生导师，国家自然科学基金优秀青年基金获得者。2006年本科毕业于南京大学环境科学系，2009年获该校硕士学位，2013年获美国莱斯大学环境工程博士学位。2013年在美国莱斯大学从事博士后研究，2013年入职南京大学环境学院，历任副教授、教授，现任卓越工程师学院副院长，兼任中国环境科学学会环境化学分会委员。主要研究方向为污染物环境归趋及风险、环境功能材料制备与应用、水处理技术。主持国家自然科学基金优秀青年项目、面上项目及国家重点研发计划子课题，参与科技部科技基础性工作专项课题。在《Environmental Science & Technology》《Water Research》等期刊发表论文20余篇，合作出版《天然有机质的环境行为和效应》专著章节，获授权发明专利10余项。主讲《Soil and Water Interface Chemistry》本科生课程及《有机污染化学进展》研究生课程。