南京林业大学蒋剑春院士等团队Nature Energy!常压实现废塑料高效转化航空环烷烃

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全球塑料废弃物存量持续攀升，多数废旧塑料依靠填埋、焚烧处置，既占用土地资源，还会释放微塑料与有毒废气，资源浪费与环境污染问题逐年加剧；与此同时航空产业低碳化转型迫在眉睫，航空燃料核心组分环烷烃现阶段高度依赖石油炼制，炼化全程能耗高、碳排放量大，探索废塑料定向制备航油成为兼顾固废治理与航空减排的关键方向。现有废塑料化学转化路线分为直接氢解与热解后液相加氢两类，直接氢解普遍需要 3MPa 左右高压氢气，部分工艺反应周期长达 144 小时，且难以适配成分混杂的生活废塑料；常规热解所得产物富含不饱和烃、含氧杂质，后续液相加氢受多相传质限制，工艺流程繁琐、燃料选择性偏低，量产经济性不足。虽已有不少钌基催化改性研究，但大多依赖贵金属颗粒催化剂，催化效率有限、工况苛刻，行业亟需一套低压、短流程、适配混合塑料的新型转化技术，这也是本次多院士联合研究的出发点。

在这项研究中，研究人员由蒋剑春、李亚栋、李隽三位院士牵头，设计加氢热解串联气相加氢工艺，并制备 Co-Al 氧化物负载单原子钌催化剂 RuSA@CoAlOx，依托固定床装置完成废塑料向航油环烷烃的温和转化。借助电镜、X 射线吸收谱等表征手段，团队证实钌以单原子形态锚定于载体晶格缺陷位点，价态区间为 + 2~+3，不存在钌 - 钌金属键合结构；苯乙烯探针加氢测试显示该催化剂周转频率达 144 s⁻¹，催化活性是商用 Ru/C 催化剂的百倍以上。工艺优化后，在 460℃热解搭配 160℃气相加氢、0.15MPa 低压条件下，纯聚苯乙烯原料环烷烃产出率可达 94.8%，常压工况下收率仍保持 59%；针对 PE、PP、PS 构成的多组分混合废塑料，目标航油馏分烃类总收率突破 82%，催化剂连续稳定运行时长超 110h。结合 DFT 理论计算与原位红外测试，研究明确单原子结构可降低芳环加氢能垒，规避中间产物在催化位点堆积失活，从分子层面解释了催化剂高选择性的内在机理。

本项研究打通了常压环境下废旧塑料规模化制备航空环烷烃的技术路径，打破传统工艺依赖高压、长周期的技术桎梏，在固废资源化与可持续航油制备领域形成重要技术参考。从环境维度来看，全生命周期测算数据表明，该工艺产出燃料相较传统石油基航油，从原料开采到成品油出厂全链条二氧化碳减排 73%，既消化存量塑料垃圾，又减少航空领域化石能源消耗，双重助力双碳目标落地；从经济层面，技术经济性核算显示成品燃料成本对应售价区间为每公斤 1.0~1.8 美元，对比市面生物基航油具备显著成本优势，工业化落地可行性充足。该成果也是南京林业大学建校以来首篇以第一单位刊发于 Nature Energy 的学术论文，从投稿到正式刊发历时 1001 天，配套支撑资料共计 164 页，完整的数据体系验证了工艺可靠性。整体而言，单原子催化耦合串联反应器的技术思路，可为后续其他有机固废向高端液体燃料转化提供设计范式，加速可持续航空燃料产业化落地进程。