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化学接纳突破塑料循环“魔咒”

时间：2021-08-23 泉源：中国科学报

台风“烟花”事后，，，，，，，大宗“白色垃圾”被海洋“吐”在了上海的江堤上，，，，，，，成堆的塑料泡沫、塑料袋、矿泉水瓶……让原本漂亮的滨江森林公园一夜之间沦为垃圾场。。。。。。

据统计，，，，，，，全球每年约有480万~1270万吨塑料被排放到海洋，，，，，，，并随着洋流扩散到天下各地，，，，，，，有的还会沉到海底最深处，，，，，，，甚至是马里亚纳海沟。。。。。。

面临这一全球污染�；；；；；�，，，，，，，开发新要领实现塑料接纳和升级再造，，，，，，，成为当下研究热门。。。。。。克日，，，，，，，海内外几个重磅希望的接连宣布，，，，，，，为塑料循环经济带来曙光。。。。。。

8月13日，，，，，，，美国康奈尔大学高分子化学家Geoffrey W. Coates课题组在《科学》发文，，，，，，，他们以溴化铟为催化剂，，，，，，，将聚缩醛塑料定量转化为单体，，，，，，，实现了塑料的闭环接纳。。。。。。

8月18日，，，，，，，清华大学化学系副教授段昊泓课题组在《自然—通讯》发文，，，，，，，他们使用储量富厚的金属基催化剂，，，，，，，将生涯中常见的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）塑料，，，，，，，升级转化为价值更高的化学质料和氢燃料。。。。。。

多项研究批注，，，，，，，在催化手艺的推动下，，，，，，，化学接纳有望突破塑料循环“魔咒”，，，，，，，让数以亿吨的“白色垃圾”变废为宝。。。。。。

塑料接纳催化有方

塑料是以单体为质料，，，，，，，通过加聚或缩聚反应聚合而成的高分子化合物。。。。。。中国科学院长春应用化学研究所研究员王献红告诉《中国科学报》，，，，，，，现在放弃塑料的处置惩罚方法主要是燃烧、填埋，，，，，，，只有少少部分（低于10%）接纳接纳后物理或化学处置惩罚。。。。。。物理处置惩罚只能以牺牲产品性能为价钱降级使用，，，，，，，而绝大大都化学处置惩罚效率则很低，，，，，，，缺乏大规模应用的竞争力。。。。。。

王献红对记者体现，，，，，，，为解决放弃塑料的再使用问题，，，，，，，一个新的看法迅速获得全天下高分子科学界的关注，，，，，，，该要领通过设计特定的单体合成高分子质料，，，，，，，再将其直接转化为原单体，，，，，，，从而实现资源循环和同级使用。。。。。。

Coates课题组接纳的就是这种要领。。。。。。在论文中，，，，，，，他们提出了一种“可逆钝化阳离子开环聚合”战略，，，，，，，以溴化铟为催化剂、卤代甲基醚为引发剂，，，，，，，在质子捕获剂（大位阻有机碱）下，，，，，，，乐成获得分子量高达22万的聚缩醛，，，，，，，其力学性能媲美商业化聚烯烃，，，，，，，且具有高达98%的单体（1,3—二氧环戊烷）接纳率。。。。。。

“聚缩醛通常接纳阳离子聚合要领获得，，，，，，，可是分子量较低（< 2万），，，，，，，因此聚缩醛的力学性能很差，，，，，，，无法现实应用。。。。。。Coates课题组能够将高分子量聚缩醛定量转化为单体，，，，，，，为放弃塑料的化学使用带来了曙光。。。。。。”王献红评价道。。。。。。

关于塑料的化学接纳，，，，，，，除了直接转化回单体，，，，，，，还可以将其升级再造，，，，，，，段昊泓课题组接纳的路径就是后者。。。。。。他们使用地球储量富厚的镍基和钴基催化剂，，，，，，，实现了高效升级接纳高产品选择性，，，，，，，使得产品容易疏散。。。。。。经由电解和产品疏散，，，，，，，PET塑料在室温下就可转化为价值更高的产品，，，，，，，如二甲酸钾（常用于饲料）以及氢燃料。。。。。。

“从化学的角度，，，，，，，PET是一种聚酯塑料，，，，，，，很容易通过水解获得它的单体，，，，，，，可是单体的疏散需要很高的本钱，，，，，，，这是限制其工业化的主要缘故原由。。。。。。”论文第一作者、清华大学博士后周华告诉《中国科学报》，，，，，，，他们将PET升级接纳为化学质料和燃料，，，，，，，也批注晰以电化学升级接纳战略扫除塑料垃圾的潜力。。。。。。

工业化仍存阻碍

相比机械接纳，，，，，，，化学接纳主要的优势之一是可以获得原始聚合物的质量、更高的塑料接纳率。。。。。。不过，，，，，，，化学接纳虽然能为循环塑料经济助一臂之力，，，，，，，但要想睁开大规模应用，，，，，，，每种要领都保存各自的缺陷。。。。。。

将聚缩醛直接化学转化回单体，，，，，，，单体泉源不确定就是一大问题。。。。。。在王献红看来，，，，，，，“1,3—二氧环戊烷是个特殊单体，，，，，，，怎样实现百万吨甚至万万吨的制备依然有很大的不确定性。。。。。。仍然需要研究新单体的设计，，，，，，，尤其是便于大规模制备的单体”。。。。。。

不但云云，，，，，，，王献红对记者体现，，，，，，，从质料性能角度而言，，，，，，，只管聚缩醛在力学性能上媲美聚烯烃，，，，，，，但其主链保存醚键（-OCH2CH2-，，，，，，，-OCH2-），，，，，，，因此抗氧化性、耐老化性都不如聚烯烃，，，，，，，同时耐温性和抗蠕变性也远低于聚烯烃，，，，，，，大大限制了应用规模。。。。。。

别的，，，，，，，这种单体的接纳工艺也十分重大。。。。。。王献红指出，，，，，，，Coates课题组的研究只是展示了聚缩醛可以直接转为单体这一特征，，，，，，，但其接纳历程需要在较高温度（150℃）和有机强酸下举行，，，，，，，这会增添对装备的侵蚀度，，，，，，，提高接纳本钱。。。。。。因此，，，，，，，未来仍需要研究单体接纳的环保计划，，，，，，，如实验在弱酸或不加酸的条件下接纳。。。。。。

中国塑料加工工业协会降解塑料专业委员会秘书长翁云宣向《中国科学报》剖析指出，，，，，，，在单体接纳历程中，，，，，，，多种聚合物甚至种种质料混淆在一起，，，，，，，造成接纳效率低的问题，，，，，，，这也会影响该手艺的规�；；；；；τ�。。。。。。别的，，，，，，，接纳再使用后怎样降低本钱，，，，，，，也需要进一步探索。。。。。。

“任何一项手艺从降生到实现工业化都有一条漫长的路径。。。。。。”周华告诉记者，，，，，，，通过电催化将放弃PET塑料升级再造，，，，，，，从实验室规模迈向工业规模的一个要害在于流动反应器的设计和优化。。。。。。他们实验历程中使用的反应器优点是组装利便，，，，，，，且易于做催化剂活性评价，，，，，，，但弱点是无法用于大规模生产、造价高。。。。。。

目今，，，，，，，段昊泓课题组正在开发的新型无膜电堆具有本钱低、可规�；；；；；扔诺�，，，，，，，已经取得一些主要希望，，，，，，，且研究效果待揭晓。。。。。。他们希望通过一直优化催化剂、反应器、操作条件等，，，，，，，最终实现放弃资源转化的工业应用。。。。。。

化学接纳未来可期

塑料垃圾不但是一个全球性的污染问题，，，，，，，照旧一种碳含量高、本钱低、可在全球规模内获得的质料，，，，，，，循环经济也成为塑料行业未来的生长偏向。。。。。。在催化手艺的推动下，，，，，，，化学接纳展现出很好的经济远景。。。。。。

周华体现，，，，，，，通过工艺整合，，，，，，，提高产品价值，，，，，，，使得塑料接纳在经济上具有潜在可行性。。。。。。起源预计，，，，，，，在商业相关电流密度下，，，，，，，每吨废PET向上循环的净收入约为350美元，，，，，，，展现了放弃PET电催化向上循环转化为二甲酸钾、精对苯二甲酸和氢气的经济潜力。。。。。。

“二甲酸钾具有生物活性，，，，，，，能抑制大肠杆菌、沙门氏菌等有害微生物的滋生，，，，，，，可以增进动物生长，，，，，，，是一种理想的非抗生素类饲料添加剂，，，，，，，可替换抗生素促生长剂。。。。。。”周华说，，，，，，，“随着我国接纳立法手段榨取饲料添加抗生素，，，，，，，二甲酸钾在海内具有辽阔的应用场景。。。。。。”

麦肯锡咨询公司在一项研究中提出，，，，，，，到2030年，，，，，，，全球塑料的接纳使用率有望提高到50%。。。。。�；；；；；Ы幽傻谋壤赡苌仙�17%左右，，，，，，，相当于接纳约莫7400万吨放弃塑料。。。。。。

现在，，，，，，，我国尚有许多团队致力于研究塑料的化学接纳手艺，，，，，，，例如，，，，，，，中国科学院上海有机化学研究所研究员黄正团队接纳铱配合物和氧化铁复合催化剂，，，，，，，将聚乙烯高选择性转化为液态烷烃；；；；；北京大学教授李子臣团队设计出系列苯并硫代己内酯单体，，，，，，，在有机碱催化下可获得力学性能优异的半结晶聚酯，，，，，，，该质料可直接举行本体加热（200℃）接纳，，，，，，，单体接纳率靠近定量（>98%）。。。。。。

王献红体现，，，，，，，对现有放弃塑料的化学接纳是现在很受关注的研究偏向，，，，，，，其最大的难点在于塑料制品通常是混淆物，，，，，，，同时尚有种类繁多、结构重大的加工和改性助剂，，，，，，，会影响催化剂的活性和选择性。。。。。。

为此，，，，，，，他建议首先要设计新型单体，，，，，，，生长新型聚合要领，，，，，，，综合改善聚合物的热力学性能，，，，，，，实现规模应用。。。。。。其次要设计“目的需求型可降解高分子”，，，，，，，凭证使用条件、情形的差别，，，，，，，设计合成响应“寿命”的质料。。。。。。别的还要研究“高度耐受性、特异选择性塑料降解”催化剂，，，，，，，简化塑料接纳历程中的分拣、洗涤等后处置惩罚事情。。。。。。

王献红增补道，，，，，，，现在塑料接纳再使用系统尚不完善，，，，，，，接纳使用本钱高昂且附加值较低，，，，，，，为此生长生物降解高分子质料，，，，，，，有助于缓解塑料接纳难题。。。。。。

翁云宣建议，，，，，，，塑料要想实现可一连生长，，，，，，，在源头上就要只管使用可再生资源制造质料。。。。。。周华也体现，，，，，，，要以取代化石资源的生物质、二氧化碳及其衍生物为质料制备塑料，，，，，，，新型可降解塑料是未来值得关注的研究偏向。。。。。。

相关论文信息：https://doi.org/10.1126/science.abh0626

https://doi.org/10.1038/s41467-021-25048-x

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