浙江大学刘平伟、王青月 Angew：二维材料高效催化聚烯烃废塑料的加氢裂解及反应机理研究

高分子科技

2023-08-21

导读：该二维双金属催化剂在废弃聚烯烃塑料的催化氢解应用中表现出了优异的催化活性，出色的选择性和良好的循环稳定性...

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占全球塑料产量一半以上的聚烯烃塑料，由于其饱和碳氢链结构，极难自然降解。通过化学方法裂解废弃聚烯烃，将其转化为高值化学品，实现升级回收利用，意义重大。然而，如何在相对温和的条件下高效地实现废弃聚烯烃的高值回收，挑战极大。

近日，浙江大学化工学院的刘平伟教授、王青月研究员通过设计一种二维双功能金属催化剂，在温和条件下实现了聚烯烃催化氢解制备燃料油的升级回收（图1）。所使用的催化剂为二维Pt/WO₃，纳米片横向尺寸100 nm左右，单层率高达92%。在200 ℃和3 MPa H₂ 条件下，20 h内即可将高密度聚乙烯（HDPE）废弃塑料瓶（M_w~66000 Da）裂解为C₅-C₁₈的燃料油，收率高达89%；当温度提高至250 ℃，3 h即可实现该HDPE塑料的完全转化。该催化剂还具有良好的循环稳定性，循环使用5次后，活性几乎保持不变。

图1. 单层Pt/WO₃催化裂解废弃HDPE的活性、产物分布及循环使用性能

结合多种表征和理论计算结果发现，二维Pt/WO₃在废塑料催化氢解的应用中具有独特的优势。首先，二维三氧化钨纳米片表面含有大量的缺陷（图2），使得铂金属以近乎单分散的形式均匀地锚定在氧化钨片层上，强化了金属与基底的协同效应。其次，氢解过程中，催化剂表面大量的酸性位点为氢在纳米片表面的快速传输转移与动态循环提供了通道，有效地提升了聚烯烃与催化材料整体的传质效率与催化的反应速度。

图2. 单层WO₃及Pt/WO₃纳米片的表征结果

在这项工作中，研究人员利用动态现场原位表征（Operando-TIR）对氢解过程进行了在线监测（图3），发现随着反应的进行，聚乙烯C–C键不断的断裂，产物主要为饱和异构短链烷烃，原位实验中检测到了C═C的生成与消耗，其在碳链断裂与碳链重排的动态平衡中充当了中间体的角色。对照实验则证实了Pt在反应在起了析氢和促进中间体转化的作用，WO₃则作为载体起到了吸附和活化聚烯烃链段的作用。

图3. 单层Pt/WO₃催化HDPE裂解的动态现场原位表征结果及机理示意图

基于上述原因，该二维双金属催化剂在废弃聚烯烃塑料的催化氢解应用中表现出了优异的催化活性，出色的选择性和良好的循环稳定性。该工作为废弃聚烯烃塑料裂解用催化材料的设计与制备提供了新的策略。

文章第一作者是浙江大学博士研究生周启民和博士后王德良，通讯作者是浙江大学王青月研究员和刘平伟教授。本工作受到国家自然科学基金重大项目（22293060、22293061）和化学工程联合国家重点实验室浙江大学分室的资助。

论文信息

Mechanistic Understanding of Efficient Polyethylene Hydrocracking over Two-Dimensional Platinum-Anchored Tungsten Trioxide

Qimin Zhou^#, Deliang Wang^#, Qingyue Wang*, Kailin He, Khak Ho Lim, Xuan Yang, Wen-Jun Wang, Bo-Geng Li, Pingwei Liu*

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202305644

东华大学杨建平、王华平课题组 Small Struct.：塑料废弃物的光催化升级回收机理、集成方式和选择性

中国科大曾杰教授团队《Nat. Nanotechnol.》：开辟废弃聚乙烯塑料循环升级新路径

上科大林柏霖教授团队《Sci. Adv.》：一种可重复使用、无贵金属且耐杂质的双功能催化剂实现废聚烯烃回收转化

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