一次性塑料由于其轻质、耐用、成本低廉等特性，极大地便利了人类的日常生活，其广泛应用于包装、建筑、汽车、电子和医疗等多个领域。然而，这种大规模生产和使用也带来了日益严重的环境挑战。根据国际塑料工业协会数据，2022年全球塑料产量已突破4亿吨，并预计到2060年，这一数字将攀升至每年12亿吨。与此同时，塑料废弃物的回收管理却远远跟不上其生产速度：2019年，全球有72%的塑料废弃物被填埋或未妥善处理，另有19%被焚烧，仅有不到9%的塑料被有效回收再利用。这种传统的废弃物处理方式不仅会造成资源的严重浪费，还会引发土壤污染、水体污染、微塑料泛滥和温室气体大量排放等一系列环境问题。
机械回收虽然是当前广泛应用的塑料再利用手段，但存在明显的不足，主要表现在再生塑料性能下降，只能生产出质量较差的次级材料，即所谓的降级回收。此外，机械回收对塑料废弃物的纯度要求较高，难以有效处理复杂、混合或污染严重的塑料废弃物，尤其是具有化学惰性的聚烯烃类塑料（如聚乙烯和聚丙烯），更是难以回收。因此，开发高效、广谱适用的塑料升级回收技术成为当前的研究热点之一。
图1 废弃塑料现状
针对上述挑战，四川大学肖啸课题组在《自然·通讯》（Nature Communications）上发表了一项突破性研究，提出了一种基于有机光催化剂的塑料升级回收新策略。研究团队开发并利用一种简单易得的吩噻嗪衍生物（PTH-3CN）作为催化剂，在常温常压和可见光照射（405 nm LED）的条件下，高效地实现了对多种塑料的选择性降解，并转化为具有经济价值的化学品。
与之前的研究相比，该体系的显著创新体现在以下几个方面：首先，该体系对于大部分塑料具有降解适用性，包括聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）、聚氨酯（PU）、聚碳酸酯（PC）等七大类塑料，涵盖全球80%以上的塑料废弃物种类。更为重要的是，该技术不仅适用于单一类型塑料，也能高效处理现实生活中常见的消费后塑料废弃物，例如食品包装、CD盒、泡沫塑料等。另外，与传统塑料回收方法相比，该研究提出的体系在反应条件上具有明显优势：该体系使用的催化剂负载量较低，最低可至500 ppm（0.05%），极大降低成本；可见光的运用则避免了高能耗的紫外光源；同时，反应能在常温常压条件下进行，仅以空气为氧化剂，无需使用昂贵的高压氧气或惰性气体保护，且反应体系中不含金属催化剂或强酸等添加剂，避免了二次污染问题。
图2
研究团队通过紫外-可见光谱、电化学分析、质谱、电子顺磁共振（EPR）和密度泛函理论（DFT）计算等手段，对催化剂的作用机理进行了深入研究：确认催化剂PTH-3CN在反应中实际起到“前催化剂”的作用，在反应中逐步转化为具有更高催化活性的三芳胺类衍生物。同时，证实了连续光诱导电子转移（conPET）是催化体系的核心机制，该机制通过连续吸收两个光子的能量，显著提升了催化剂的氧化能力，有效氧化塑料中的C-H键。另外，实验与计算共同证实羟基自由基（·OH）而非单线态氧（1O2）为反应中的主要活性物种，·OH与聚苯乙烯中C-H键的反应能垒仅8.3 kcal/mol，明显优于1O2途径。
图3
在拓展底物方面，该研究对于自合成的聚（4-叔丁基苯乙烯）进行了选择性降解，实现了在催化剂负载量不同的情况下对4-叔丁基苯甲酸，对乙酰基苯甲酸以及对苯二甲酸的选择性转化。特别值得关注的是，该研究还创新性地利用了串联反应策略，利用Friedel-Crafts酰基化反应进一步提高了聚苯乙烯降解产物的经济价值，例如将苯甲酸转化为价值约70美元/公斤的4-乙酰基苯甲酸，以及价值约200美元/公斤的对苯二甲酸。研究团队认为聚合物断链的机理是在生成聚合物自由基后，氧气分子会与之结合形成过氧自由基，随后通过β-断裂实现主链的降解。这一过程对不同塑料表现出良好的普适性，即使是化学惰性很强的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）也能被有效降解。
对于除聚苯乙烯以外的聚烯烃，该研究也实现了有效转化。聚烯烃（比如PE和PP）被高效转化为甲酸和乙酸；PET则被高效转化为对苯二甲酸，收率高达93%；聚碳酸酯（PC）的降解与传统的C-O键断裂不同，该研究体系实现了C-C键的裂解，获得了具有一定比例的羟基苯甲酸和双酚A。为进一步验证该技术的工业化潜力，研究团队开展了一系列实际应用研究：实现了对混合塑料废弃物的选择性降解和全局普适性降解策略；利用流动反应器成功实现了10克级聚苯乙烯泡沫塑料的连续处理，仅使用17.5 mg催化剂即可高效生产4克以上的苯甲酸，证明了技术的可扩展性；直接利用回收得到的苯甲酸开展了Mitsunobu反应、酰胺化反应和钯催化的C-H键芳基化反应，合成了具有生物活性的药物中间体和工业用高价值化学品。
虽然当前技术取得了重要进展，但未来仍需进一步探索以下方面：开发固载化催化剂以实现回收与再利用是绿色发展的关键。另外，进一步优化光源，尝试太阳光能源以进一步降低能耗，或与酶催化或其他回收技术相结合，构建更完整的塑料循环经济体系。
该研究提出了一种高效、广谱适用的可见光催化塑料升级回收新策略，成功解决了传统方法能耗高、底物适用性局限、产物经济价值低等瓶颈问题。通过深入机理研究和实用性验证，不仅为塑料污染治理提供了创新技术路径，也为发展绿色催化体系提供了重要参考。
论文原文信息： Zhang, S., Wang, J., Su, D. & Xiao, X. Nat. Commun. 16, 4188 (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-59540-5
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