Science Advance：旧瓶新酒催化剂新用途

2016年06月23日09:28 来源：材料牛

垃圾是放错位置的资源，如何将大量废弃而且不易降解的聚乙烯塑料利用起来是摆在人类面前的重大环境课题。利用现有催化剂，科学家找到了一条聚乙烯变废为宝的新途径……

牛奶盒，玩具，食品杂货袋，泡沫包装，机械零件，甚至是人工髋关节……每年，人类使用聚乙烯制品的重量达1亿吨左右，比任何其他塑料都多。与此同时造成的废弃物也很多，据统计，废弃聚乙烯约占全球垃圾填埋场中塑料总量的60%，并且难以分解。

近日，中科院上海有机所与美国加利福尼亚大学的研究者将已知的催化剂重新改造，成功地催化分解一系列聚乙烯塑料，将其转化为液体燃料以及其它有价值的化学物质。研究学者表示，更加高效耐用的催化剂也正在开发中，用以进一步提升聚乙烯塑料回收效果，防止数以百万吨的塑料堵塞垃圾填埋场和飘散在海洋里。

聚乙烯由乙烯分子聚合而成，基本结构单元为“-C2H4-”。聚合催化剂将成千上万的乙烯分子连接成线性或具有分支的长链，而不同的链结构会影响聚乙烯塑料的硬度、韧性和密度。在大多数情况下，所得到的聚乙烯性质稳定不易分解。

聚乙烯的稳定性源于一个简单的事实：原子之间由高度稳定且不易断裂的碳碳键或碳氢键连接而成领导该项工作的加州大学欧文分校的化学家Zhibin Guan解释道。为了改变这一状况，Guan联合中科院上海有机所的Zheng Huang等研究者对来自北卡罗来那大学教堂山分校的两种已知的催化剂重新改造，用于研究。这种催化剂通常用于将短链的烷烃连接为更长且更有价值的碳氢链，就像柴油中的那些长链烷烃。

当两催化剂中加入短链烷烃时，第一种催化剂将一个烷烃分子中氢原子与相邻碳原子分离，新生成的化学中间体相互键合，相邻的碳原子之间形成双键。新生成的双键较弱，使得短链的烷烃不再像之前那样稳定——第二种催化剂在此处将烷烃链分裂!分裂后的化学中间体再相互反应，形成更短的烷烃与中等长度的烷烃的混合物。后者通常含有10至12个碳原子——即柴油燃料的绝佳成分。

因此，Guan 和 Huang考虑，同样的过程是否可以反过来用于分解含有大量碳原子的长链聚乙烯分子呢?为了探究真相，他们将聚乙烯废物(如垃圾袋)和短链烷烃混合，然后加入到这两种催化剂中。结果与猜想一致，第一种催化剂脱去长链聚乙烯分子和短链烷烃分子上的氢，使得相邻碳原子形成双键;第二种催化剂利用双键分裂分子并且随机地将分裂后的中间体连接起来。最终发表在Science Advances的结果是这样的：他们持续降解长链烷烃分子，直到碳链达到燃料和其他有价值的碳氢化合物的链长度。

相关学者表示，这项工作很具有创新性，并且使得这些催化剂得到巧妙地应用。但同时他提醒道，这个过程仍有一些问题需要解决，才有可能实现商业化。首先，目前催化剂需要一天或一天以上的时间才能缓慢分解聚乙烯。此外，催化剂也较为昂贵，并且在分解几千个(算很少一部分)聚合物链之后催化剂就会失效分解，远远比不上大多数商业催化剂能分解数以百万的聚合物链的水平。Guan和他的同事们正在努力克服这些问题，希望有一天他们能从每年丢弃的数百万吨的塑料垃圾中提取出新的价值。

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