北京時間2023年4月19日，美國馬里蘭大學(xué)胡良兵教授研究團(tuán)隊(duì)和普林斯頓大學(xué)琚詒光教授研究團(tuán)隊(duì)在Nature期刊上發(fā)表題為“Depolymerization of plastics by means of electrified spatiotemporal heating”的新研究。

該研究報道了一種基于電致焦耳加熱的反應(yīng)策略，此策略可以將多類塑料材料進(jìn)行選擇性熱解從而獲得高附加值的單體原料，為廢舊塑料的化學(xué)回收提供了新思路。該研究針對采用傳統(tǒng)反應(yīng)模式時塑料熱解反應(yīng)選擇性差且高附加值產(chǎn)物產(chǎn)率低等問題，通過結(jié)合可編譯電致焦耳脈沖加熱技術(shù)以及多層、多孔反應(yīng)器設(shè)計(jì)，得以對反應(yīng)溫度進(jìn)行精確地時空調(diào)控，進(jìn)而有效控制反應(yīng)路徑和產(chǎn)物選擇性，高效且連續(xù)的實(shí)現(xiàn)塑料到單體的轉(zhuǎn)化。

論文通訊作者是胡良兵、琚詒光教授，第一作者是董麒、Aditya Dilip Lele、趙新朋。

合成高分子材料（例如塑料、橡膠、織物等）在不斷造福人類的同時，其大量生產(chǎn)帶來的環(huán)境和生態(tài)問題也在威脅著人類的未來。對于廢棄高分子材料特別是廢舊塑料而言，現(xiàn)有的回收手段并不能對其進(jìn)行高效處理和再利用。傳統(tǒng)方法諸如焚燒、填埋、二次熱加工等方式不僅不能帶來高附加值產(chǎn)品，同時會造成環(huán)境和生態(tài)的二次破壞。近年來，熱化學(xué)回收逐漸成為了行業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)，諸多傳統(tǒng)熱化學(xué)反應(yīng)路徑如高溫裂解、催化分解、催化氧化等已被證明可以用于制備高附加值產(chǎn)物如單體、燃料、潤滑劑等。然而，傳統(tǒng)熱化學(xué)處理方法仍受制于高附加值產(chǎn)物選擇性差且產(chǎn)率低等問題。此外，傳統(tǒng)熱化學(xué)手段多基于燃燒加熱的方法，這一過程能量消耗大、效率低且伴隨大量的二氧化碳排放，不能滿足可持續(xù)和綠色生產(chǎn)的需求。相比之下，采用清潔能源特別是可再生電能來對廢舊塑料進(jìn)行回收和再利用，不僅可以緩解環(huán)境壓力，同時可以變廢為寶，為化工生產(chǎn)提供重要的化學(xué)品原料，實(shí)現(xiàn)綠色化工和循環(huán)經(jīng)濟(jì)的目標(biāo)。相比傳統(tǒng)的熱催化而言，電致化學(xué)轉(zhuǎn)化具有能量效率高、碳排放低、反應(yīng)條件可控可調(diào)、產(chǎn)物選擇性好等優(yōu)點(diǎn)。

有鑒于此，美國馬里蘭大學(xué)胡良兵教授研究團(tuán)隊(duì)和普林斯頓大學(xué)琚詒光教授研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合提出了一種基于電致焦耳加熱的時空溫度控制（STH）手段，可用于連續(xù)、高選擇性、高效率塑料熱解反應(yīng)，用于制備高附加值產(chǎn)物如單體、燃料等。此項(xiàng)研究基于該團(tuán)隊(duì)于2022年提出的可編譯電致焦耳脈沖加熱應(yīng)用于氣相反應(yīng)物熱化學(xué)轉(zhuǎn)化的技術(shù)（Qi Dong et al., Programmable heating and quenching for efficient thermochemical synthesis, Nature 2022, 605, 470-476），通過對多孔碳材料即焦熱加熱源進(jìn)行簡單的多層設(shè)計(jì)，構(gòu)建了一種可同時控制溫度梯度和脈沖加熱次序的反應(yīng)器結(jié)構(gòu)。當(dāng)從固態(tài)塑料反應(yīng)物出發(fā)時，該設(shè)計(jì)通過電致加熱可以在層狀多孔反應(yīng)器中產(chǎn)生連續(xù)熔化、虹吸、氣化和分解的過程，將塑料高分子熱解為小分子。研究人員采用聚丙烯和聚對苯二甲酸乙二酯為例，在無需添加任何催化劑的條件下，通過該設(shè)計(jì)可以降低高不飽和度產(chǎn)物的形成并取得40%左右的單體產(chǎn)率，遠(yuǎn)高于多數(shù)同類反應(yīng)中含催化劑的體系（多低于25%）。值得一提的是，該方法采用電能對體系進(jìn)行脈沖加熱，不僅降低碳排放，同時通過在毫秒時間尺度中高低溫切換的方式獲得較高的能量效率。基于這項(xiàng)工作，胡良兵教授、琚詒光教授和董麒博士共同創(chuàng)辦了初創(chuàng)公司Polymer-X Inc.。公司致力于對該技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化，將其應(yīng)用于綠色化學(xué)品制備和材料回收。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-023-05845-8

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