导语
面对全球塑料污染治理的紧迫挑战，国科大杭州高等研究院林炳丞博士团队在《Chemical Engineering Journal》上发表创新研究成果。该研究开发了一种基于脉冲焦耳加热的塑料升级回收技术，通过可循环石墨纸介质，在不依赖催化剂的条件下将废塑料高效转化为高价值可燃气体。该技术可实现99.4%的氢回收率，全球推广应用预计年经济效益达181亿美元，为塑料废弃物资源化提供了兼具低碳性与经济可行性的全新解决方案。
🔍 研究亮点
秒级转化技术：采用石墨纸介质，1秒内升温至1750°C，实现塑料废弃物瞬时转化
精准产物调控：低电流优先回收烯烃单体，高电流促进脱氢反应，氢回收率达99.4%
卓越经济效益：全球推广年收益预计181亿美元，能源回收效率提升4.4倍
显著碳减排：相较传统焚烧，二氧化碳排放降低66.6%，年减排1.9亿吨
📊 图文解析
图1 焦耳加热系统设计与性能
研究构建了双层不锈钢反应器，采用水平对置石墨电极与水冷系统。三种石墨基基底对比显示，石墨纸在200 A电流下1秒内升温至1750°C，其优异的电阻特性（0.7 Ω）与超薄结构（0.05 mm）为高效热解提供理想条件。
图2 电流强度对产物调控
随着电流从40 A增至190 A，气体产率呈现独特的三段式变化。50 A时丙烯产率最高达47.3 wt%，190 A时氢回收率接近完全（99.4%），三维响应曲面揭示不同气体组分的最优电流区间，实现从单体回收到氢气制备的定向转化。
图3 脉冲策略优化
系统在连续10次脉冲后温度波动小于4°C，展现卓越热稳定性。40 A条件下提高脉冲次数提升气体产率，190 A时单次脉冲即实现完全分解，多次脉冲促进氢气与乙炔生成（占比61.2–76.6%），证实脉冲策略对反应路径的有效调控。
图4 反应机制解析
吉布斯自由能计算揭示：80℃（约800°C）条件下PP经历β断裂生成丙烯，190℃（约1700°C）时促进脱氢形成乙炔与氢气。相关性分析显示甲烷与乙烯、氢气与乙炔呈强正相关，为理解转化机制提供理论依据。
图5 多塑料验证
脂肪族聚合物（PP、PE）在中等电流下气体产率最高（40–50 wt%），芳香族聚合物（PS、PET）因H/C比较低生成更多固体残渣。实际废弃塑料与纯聚合物热解行为高度一致，验证技术实际适用性。
图6 全球评估
替代全球30%废塑料焚烧，年减排1.9亿吨CO₂当量，降幅66.6%。能源回收效率提升至43.2%，为焚烧的4.4倍。多数地区因高值气体回收获正向收益，全球年经济收益达181亿美元。
⚙️ 技术支撑
脉冲焦耳加热系统：集成精确电流控制与脉冲调制，实现1700°C·s⁻¹超快升温
石墨纸介质技术：具备高电阻与超薄结构，确保温度场均匀稳定
多参数调控平台：通过电流强度、脉冲次数精确控制反应路径
全局评估体系：结合生命周期分析与经济模型，全面评估技术潜力
💎 总结与展望
本研究开发的脉冲焦耳加热技术，通过精准调控热解路径，实现了塑料废弃物向高价值气体的高效转化。该技术不仅突破传统热解的热传导瓶颈，更在氢回收率、能源效率与经济收益方面创下新纪录。未来通过模块化反应器架构与传热动力学优化，有望推动该技术向工业级塑料循环体系融合，为全球塑料污染治理与低碳能源转型提供颠覆性解决方案。
文献信息
Zitong Wan, Xuan Xie, Yunfeng Ma, Guohua Zhu, Rong Jin, Bingcheng Lin, Minghui Zheng.
Upcycling plastic waste into high-value gases via pulsed joule heating for economic and carbon benefits.
Chemical Engineering Journal, 2025, 170735, ISSN 1385-8947.
https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.170735
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