第一作者：赵俊、刘博男
通讯作者：马望京、肖天存、唐军旺
通讯单位：中科院理化所、牛津大学、清华大学
论文DOI：10.1038/s41467-024-55584-1
废塑料尤其是混杂废塑料的直接回收利用对于实现资源利用、循环经济和双碳战略目标具有重大意义。然而，开发稳定的混杂废塑料一步回收工艺仍具有挑战性。这是因为混杂废塑料的成分、理化性质十分复杂，并且含有大量无机杂质，对构筑稳健的活性催化剂带来了严峻挑战。在此，理化所油气中心三次采油团队马望京等人与牛津大学肖天存和清华大学唐军旺院士等人合作，另辟蹊径，从原子簇-氧化物的独特协同催化效应出发，采用简单、经济的原位构筑方法设计合成了强微波吸收和高催化活性的廉价锌团簇/氧化锌（Zn/b-ZnO）复合催化剂。在低功率微波场中有效实现了微波能向催化剂的“选择性”定向传输，成功将填埋场混杂废塑料、填埋场农膜和聚丙烯废塑料解聚升级回收为烯烃单体（选择性：60-80%）和基础润滑油前驱体（产率：46-60 wt%）。得益于Zn原子簇优异的化学键活化能力、原子簇金属位点的增强电场以及锌团簇/氧化锌的协同催化，研究人员在280 °C、常压和低能耗（是传统热催化能耗的1/8）的温和条件下成功实现了混杂废塑料的“选择性”解聚，催化性能优于多数贵金属催化剂。更重要的是，Zn/b-ZnO在温和条件下对聚烯烃塑料C-C键的选择性断裂能力，有效抑制了积碳的生成，赋予了Zn/b-ZnO催化剂良好的稳定性（超过50个连续循环），和250 gplastic g-1 catalyst的塑料解聚周转数。
研究成果近日以“Highly selective upcycling of plastic mixture waste by microwave-assisted catalysis over Zn/b-ZnO”为题在国际著名期刊Nature Communications上在线发表。理化所特别研究助理赵俊和中国石油大学（北京）刘博男副教授为该论文共同第一作者；理化所马望京，牛津大学肖天存，清华大学唐军旺院士为论文的共同通讯作者。
当前，全球塑料产量已超90亿吨，而超过70亿吨被遗弃或填埋成为混杂废弃物，对生态系统造成严重危害。废弃塑料回收对环境修复和新型相关产业发展具有重大意义，但现有技术无法直接回收受污染混杂废塑料，需在回收前对其进行分拣、清洗等预处理，而预处理过程存在高成本、长耗时、高耗能等诸多问题，且通常会导致低质量的聚合物。相对塑料回收而言，废弃塑料的升级再造则为其管理与增值利用带来新希望，但现有方法存在高能耗、贵金属参与、高压（2-6 MPa）和低催化剂稳定性（≤5轮）等问题，特别是尚无法实现高杂质含量的填埋混杂废塑料的直接升级回收。因此，如何经济、低耗的高效利用未经分离处理的混杂废塑料成为解决全球白色污染的关键难题，引起科学家的广泛关注。
图 1. LDPE （从垃圾填埋场挖出）微波催化解聚的连续循环。(a) 微波催化解聚过程。(b)产品产量和转化率。(c) 气体产物选择性。催化剂与塑料的质量比为：Zn/b-ZnO: 塑料 =10 g: 40 g。C2H4、C3H6、C4H8代表乙烯、丙烯、丁烯，C2-C4o 代表乙烷、丙烷和丁烷。(d) 本研究和其他代表性研究工作在不同反应温度下每小时每克催化剂的油收率总结(g g-1 cat h-1) (mSiO2/Pt/SiO2) (压力反应器，ref. 12)、Ru/TiO2(压力反应器，ref. 14)、Ru/HZSM5 (压力反应器，ref. 35)、Ru/C (压力反应器，ref. 42)、mSiO2/Pt-X/SiO2(压力反应器，ref. 43)、Pt/Al2O3(压力反应器，ref. 44)、ZSM5 (微波反应器，ref. 24)、SiC/MgO (微波反应器，ref. 46)、NiO/HY (微波反应器，ref. 46)、AC/zeolite (微波反应器，ref. 23)、SiC/ZSM-5 (微波反应器，ref. 47)。
图 2. PP 和混杂废塑料（从垃圾填埋场挖出）的微波催化解聚。(a) 废塑料和相应油品的图像。(b, c) 混杂塑料和 PP 的产品产量和转化率。催化剂与塑料的质量比为：Zn/b-ZnO: 混合塑料=10 g: 40 g, b-ZnO: PP = 10 g: 50 g。
图 3. 微波催化升级回收结果和工艺能量效率。(a) LDPE（从垃圾填埋场挖出）、(b) 混杂塑料（从垃圾填埋场挖出）和 (c) PP 在不同循环下的微波催化升级再造油品的模拟蒸馏气相色谱结果。LDPE（从垃圾填埋场挖出）(d-f)、混杂塑料（从填埋场挖出）(g-h)和PP (i-n) 在不同循环中微波升级再造获得油产物的碳数分布。(o) 微波 （280 °C） 和传统热 （450 °C） 催化过程的耗电量。
图 4. 塑性解聚不同循环后所用 b-ZnO 催化剂的特性。(a-c) 原始和使用后 b-ZnO 的HAADF-STEM 图像和 50 次循环后 b-ZnO 的 (d-e) HAADF-STEM 图像，b-ZnO 上的 Zn 簇由红色圆圈标记。(f) 相应的元素映射（Zn 为红色，O 为绿色，C 为蓝色）。
图 5. 提出的反应途径。Zn/b-ZnO 催化剂中b-ZnO (a0-a5) 和 Zn (b0-b3) 的协同催化塑性解聚反应途径示意图。
相关工作首次报道了微波协同Zn/ZnO强化催化填埋场受污染废塑料“增值”利用策略，为经济、低能耗的化学回收和升级利用混杂废塑料以及传统意义上难以回收的其它高分子如农林生物质、纤维等提供了新思路。有望推动混杂塑料废弃物循环利用和“减碳降废”，有望建立城市分类垃圾、填埋场废塑料和难处理的多元复合材料的直接回收利用。同时，微波技术的电气化过程有望实现极端条件下（如海洋、热带、冰川）的移动作业回收，具有重大的经济和社会效益。
该工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、国家自然科学基金青年基金、北京市重大科技专项、中国科学院理化技术研究所所长基金等资助。
Zhao, J., Liu, B., Xiong, L. et al. Highly selective upcycling of plastic mixture waste by microwave-assisted catalysis over Zn/b-ZnO. Nat Commun 16, 1726 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-024-55584-1
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-55584-1#Abs1
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