聚乙烯（PE）是全球产量最大的塑料之一，为满足不同场景下的性能需求，PE常与其他聚合物共混，其中乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）是常见的改性剂。PE/EVA共混材料在多层包装、农用薄膜及电缆涂层等领域应用广泛。然而，大量废旧PE/EVA混合塑料因组分复杂、难以分离，传统的热解和氢解过程处理含EVA的废塑料时不仅以甲烷等低附加值产物为主，而且在反应过程中易产生积碳，导致催化剂失活。
清华大学化工系牛志强团队通过研究发现，积碳产生的原因在于EVA受热分解会产生多烯片段以及乙酸，二者均是积碳的来源。据此作者提出了“加氢脱氧-氢解”串联催化的策略解决这一问题：为避免EVA受热分解产生积碳物种，首先通过高活性加氢脱氧催化剂将EVA侧链乙酸基快速转化为CH4和H2O，EVA主链则以聚乙烯形式进一步通过氢解转化为液体燃料和蜡。
图1. PE/EVA混合物加氢转化示意图。图片来源：J. Am. Chem. Soc.
为实现上述串联催化，作者通过胶体法制备了粒径均一的Ru-MoOx纳米颗粒，结构表征表明，Ru元素与Mo元素在颗粒中均匀分布，Mo元素全部以氧化态形式存在，Ru与MoOx在颗粒中紧密接触。作者对比了不同催化剂的氢解性能：直接使用Ru/CeO2氢解EVA-12时，转化率不足20%；将Ru/CeO2与WO3或MoO3物理混合后，固体转化率显著提高；而通过胶体法合成的Ru-MoOx纳米颗粒，对EVA的固体转化率从20%提升至96%，液态产物收率达到75%。
图2. 催化剂的筛选和结构表征。图片来源：J. Am. Chem. Soc.
作者进一步以正十六烷（C16）和乙酸乙酯（EA）为模型化合物，详细阐释了串联催化抑制积碳与甲烷的相关机制：在Ru/CeO2体系中，EVA中的侧链基团首先发生C−O键的部分选择性断裂生成乙酸。部分乙酸经加氢脱氧转化为甲烷，其余则以稳定的双齿吸附构型吸附在催化剂表面，占据活性位点并阻碍聚合物链段与活性位点的有效接触，抑制解聚过程。反应持续进行时，残留的侧链基团进一步热解生成多烯，在催化剂表面吸附和累积，导致焦炭生成和催化剂失活。相比之下，在Ru-MoOx/CeO2体系中，EVA中的侧链基团在反应初期即可通过高效加氢脱氧近乎完全去除，避免了含氧物种在催化剂表面的积聚。随着这些含氧物种的快速消耗，活性位点得以充分暴露并与聚烯烃主链接触，使氢解在 Ru 位点上顺利进行，从而实现高效解聚。
这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上，文章的第一作者是清华大学博士研究生赵佳阳。
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Tandem Catalysis to Mitigate Coke Formation in the Upcycling of Mixed Polyolefin Wastes
Jiayang Zhao, Qikun Hu, Yuqi Wang, Yizhen Che, Zhiqiang Niu*
J. Am. Chem. Soc., 2025, DOI: 10.1021/jacs.5c05824
导师介绍
牛志强
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