聚烯烃及其氯化衍生物（如聚氯乙烯，PVC）约占全球塑料产量的60%，但因难降解成为环境治理难题。尤其是PVC含氯量高（约57 wt.%），传统焚烧或热解等废物能源化方法需高温脱氯，以避免产生二噁英和多氯联苯等有毒副产物，同时PVC的阻燃特性降低了能量回收效率。现有化学升级回收策略虽可实现资源转化，但通常需先脱氯后裂解碳骨架，流程复杂、效率低、能耗高。近年来，将PVC与聚烯烃在室温下共升级的策略，为温和条件下实现高效转化提供了新思路。然而，由于PVC氢碳比低，在与聚烯烃共升级过程中仍需大量H2输入，否则易生成烯烃并发生低聚、环化，形成酸溶性混合聚合物，导致催化剂失活。理论上，将吸热的脱氯和C-C键断键与放热的烷基化（包括H2重新分配）耦合，可在热力学上实现全转化，而所需的轻质异构烷烃（异丁烷iC4、异戊烷iC5）可来自炼油厂副产物，从而为PVC与聚烯烃一体化低温升级利用提供新途径。
基于此，华东师范大学张伟研究员联合美国西北太平洋国家实验室&德国慕尼黑工业大学Johannes A. Lercher院士和美国西北太平洋国家实验室Mal-Soon Lee教授等团队，提出了一种利用氯铝酸盐（AlCl3）离子液体催化，通过单级工艺将废弃PVC低温转化为无氯燃料级烃类和HCl的新策略。该方法通过异丁烷或异戊烷在低温串联工艺中的放热烷基化与氢转移，抵消吸热的脱氯和C–C键断裂，所需轻质异构烷烃可来自炼油厂副产物或产物流回收。该工艺适用于处理实际混合和受污染的PVC及聚烯烃废弃物。
相关研究成果以“Integrated low-temperature PVC and polyolefin upgrading”为题，于2025年8月14日发表在《Science》期刊上。第一作者为张伟（华东师范大学）和YANG BODA（美国西北太平洋国家实验室），通讯作者为张伟、Johannes A. Lercher和Mal-Soon Lee。值得一提的是，张伟于2023年在《Science》发表了题为“Low-temperature upcycling of polyolefins into liquid alkanes via tandem cracking-alkylation”的研究成果（Science 2023, 379, 807–811）。
图 1. PVC、聚烯烃与轻质异构烷烃的协同升级利用示意图。
在30 °C、常压条件下，利用AlCl3基丁基吡啶氯铝酸盐离子液体催化，结合iC4或iC5作为烷基化剂，商业PVC可在30分钟内实现100%转化，且产物主要为饱和无氯烃，其中C6–C12汽油馏分占比可达55 wt.%（iC5体系）或61 wt.%（iC4体系），伴随高比例回收的未反应轻质异构烷（iC4、iC5），且几乎不生成甲烷、乙烷和丙烷。反应过程中Cl主要以HCl（约61%）和AlCl4-阴离子（约35%）形式存在，实现了氯元素的高效分离与利用。
图 2. 室温下PVC的串联脱氯–烷基化–裂解。
表 1. AlCl3基氯铝酸盐离子液体一锅催化PVC/异构烷烃升级为液态烷烃的结果汇总。
在无异构烷烃情况下，PVC会通过脱氯路径生成多烯，而在iC5参与下，脱氯、PVC裂解和烷基化协同进行，红外光谱未检测到C=C双键特征峰，表明反应先通过脱HCl去除Cl再与iC5快速烷基化。分子动力学模拟进一步揭示了两种可能反应机制：（1）PVC与AlCl3形成AlCl3−ClPVC复合物后，经48 kJ/mol能垒的逐步脱氯和50 kJ/mol能垒的去质子化形成烯烃；（2）在AlCl3−ClPVC形成后，经25 kJ/mol能垒的协同脱HCl路径，同时形成烯烃和质子化的 AlCl4-。反应中形成的AlCl4−−H+− AlCl4−稳定中间体通过44 kJ/mol能垒重组生成HCl和Al2Cl7−，完成脱氯循环。这表明初始脱HCl无需异构烷烃，但饱和烷烃生成依赖iC4/iC5的氢转移和烷基化。
图 3. PVC的脱HCl。
PVC与聚烯烃在低温单级工艺下可实现高效协同转化，PVC脱氯过程中产生的碳正离子可替代传统叔丁基氯引发剂，有效活化聚烯烃链并加快反应速率。在PVC/PE质量比1:1条件下，混合聚合物在30分钟即可完全转化，并生成约97 wt.%的C5–C12液态异构烷。在实际废塑料应用中，包括软/硬质PVC管材、电线等消费后废弃物在30°C下均可高效转化；PVC消费后废料与硬质HDPE瓶混合后在80°C下也能实现近定量转化，主要产物为iC4气体（占产物40%-66%）和无氯液态烷烃。结合二氯甲烷（DCM）稀释离子液体，低黏度与传质阻力，使整个过程在原料复杂性和催化剂耐受性方面均具备良好的适应性与可持续性。
图 4. 混合PVC、聚烯烃、iC4的协同升级利用。
图 5. 消费后PVC废弃物在室温下裂解为液态烷烃。
Wei Zhang, Boda Yang, Benjamin A. Jackson, Junbo Zhao, Honghong Shi, Donald M. Camaioni, Sungmin Kim, Huamin Wang, János Szanyi, Mal-Soon Lee, Jingguang G. Chen, and Johannes A. Lercher, Integrated low-temperature PVC and polyolefin upgrading, Science, DOI: 10.1126/science.adx5285
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