第一作者：胡琪琨
通讯作者：牛志强 副教授
通讯单位：清华大学化学工程国家重点实验室
论文DOI：10.1038/s41467-024-54786-x
氢解是废塑料资源化利用的重要途径，但传统上需要高压氢气才能抑制低值甲烷的产生。本工作利用RuPt稀合金催化剂，在低压下实现了对聚乙烯（PE）的高效转化，同时大幅减少了甲烷的生成。机理研究表明，氢解过程中碳碳键断裂主要在Ru位点上进行，由于稀合金中Ru位点被Pt分隔，避免了碳碳键的连续断裂，进而抑制了副产物甲烷的生成。该方法对于甲烷的抑制不受氢气压力的限制，即使在常压下也能将PE有效转化为燃料、蜡和基础油，且甲烷选择性低于3.2%。利用这一特点，可将低压氢源与PE氢解结合，为小型化、分布式的塑料循环提供了可能。
塑料因其多功能、耐用和低成本，被广泛应用于包装、医疗、交通、电子产品和建筑等领域，已成为现代生活中不可替代的材料。然而，塑料用量和产量的持续增长给环境带来巨大压力，尤其是对水生和陆地生态系统的影响。聚乙烯（PE）是全球使用最广泛的塑料，每年消费量达1.03亿吨。实现对塑料废物的回收再利用，不仅能减少碳足迹，还有助于实现循环经济。然而，要做到这一点，需要完善的废物管理系统以及低成本、分散式的塑料处理技术。
1. 常压下的高效PE氢解：以往的PE氢解通常依赖高压氢气来抑制甲烷产生。但本文使用的RuPt稀合金催化剂在常压下即可高效转化PE，并将甲烷选择性控制在3.2%以下。这降低了对于昂贵高压设备的需求，使工艺更安全、经济。
2. 显著降低甲烷生成：RuPt稀合金催化剂可以有效抑制碳碳键的连续断裂，从而大幅减少甲烷的形成。在低氢气压力下仍能维持高选择性，避免产物中过多的甲烷。
3. 助力分散式、低成本的塑料再利用：由于该技术在常压下就能运行，为小型化、分布式的塑料回收与利用提供了新路径。
本工作首先分析了烷烃氢解的反应路径和产物分布调控策略（见图1）。从氢气解离开始，反应包括烷烃脱氢吸附（1.2，1.3）、碳碳键断裂（1.4），吸附物种加氢脱附（1.5），吸附物种脱氢与二次碳碳键断裂（1.6，1.7）等步骤，其中碳碳键断裂往往被认为是反应的决速步。由反应路径可知，副产物甲烷的产生主要是由于碳碳键的连续断裂所致。为了抑制甲烷产生，聚烯烃氢解往往需要在2 MPa以上的氢压下进行：通过提高氢气压力，可以增加催化剂表面的氢覆盖度，加速了1.5并抑制了1.6的进行，从而抑制了连续的碳碳键断裂。本工作则采用与此前不同的策略：由于碳碳键断裂在Ru位点上发生远快于Pt位点，在RuPt稀合金中，第一个碳碳键断裂（1.4）发生在Ru位点，速度很快；但第二次碳碳键断裂（1.7）发生在Pt位点，速度较慢，从而抑制了甲烷的产生。由于该方法主要调控1.7的反应速率，该步骤没有氢物种的参与，因此与氢压关系不大。
图1 机理分析
通过表征，作者确认了RuPt稀合金的组成与结构。图2a的透射电子显微镜（TEM）图显示，这些纳米颗粒直径约3.8 nm且分布均匀。图2b展示了这些颗粒在碳载体上的均匀分布。图2e和2f的EXAFS分析进一步证实，RuPt形成均匀的稀合金结构。
图2 材料表征
在图3中，作者对比了RuPt稀合金、纯Ru及纯Pt催化剂在PE氢解时的表现。结果表明，RuPt稀合金能将甲烷选择性保持在3.2%以下，而Ru催化剂则会产生更多甲烷。更为重要的是，无论氢气压强如何变化，RuPt稀合金的甲烷生成率都始终较低，对氢压不敏感。
图3 性能测试
通过分析不同催化剂在反应过程中的氢气消耗、原位红外光谱（DRIFTS）和准原位XPS数据（图4），论文指出C–C键断裂主要在Ru位点上发生，而Pt位点有助于PE的脱氢与吸附。当Ru原子被稀释在Pt颗粒中时，第二步的碳碳键断裂被抑制，从而避免甲烷过多产生。
图4 机理分析
除碳载体外，本工作还将RuPt稀合金负载在SiO2、CeO2等不同载体上进行测试（见图5）。结果显示，CeO2载体能大幅提高催化活性，并降低氢解的温度，说明载体的选择会显著影响催化剂的性能。
图5 载体效应
同时，本工作还验证了低压氢源与PE氢解相结合的应用前景（图6）。利用电解水制氢为反应提供常压氢气，无论是LDPE塑料袋、HDPE瓶盖还是混合聚烯烃废料，都能在低压氢条件下由RuPt催化剂高效转化为燃料、蜡和基础油，而且甲烷产量依然很低。这为小型分布式的塑料回收提供了可能，有望构建更加灵活的回收利用模式。
图6 与常压氢气结合
本工作证明了RuPt稀合金催化剂能够在很宽的氢气压力条件下有效抑制PE氢解过程中的甲烷生成。与以往提高氢覆盖率的方式不同，本研究利用RuPt稀合金控制第一步与第二步碳碳键断裂速率的差异，实现了在常压氢条件下仍能高效转化PE，并将甲烷选择性稳定在2.0%~3.2%之间。基于此，作者提出了“电解水制氢+废塑料→液体燃料”愿景。未来的研究应着重优化反应器设计，充分发挥这一低压氢解技术的潜力。
欢迎关注我们，订阅更多最新消息
“邃瞳科学云”推出专业的自然科学直播服务啦！不仅直播团队专业，直播画面出色，而且传播渠道多，宣传效果佳。
“邃瞳科学云"平台正在收集、整理各类学术会议信息，欢迎学会、期刊、会议组织方择优在邃瞳平台上进行线上直播，希望藉此帮助广大科研人员跨越时空的限制，实现自由、畅通地交流互动。欢迎老师同学们提供会议信息（会有礼品赠送），学会、期刊、会议组织方商谈合作，均请联系18612651915（微信同）。
投稿、荐稿、爆料：Editor@scisight.cn
