中科院上海硅酸盐研究所，中科院上海硅酸盐研究所怎么样
塑料污染是当前主要的环境挑战之一，然而垃圾填埋和焚烧发电等处理方式，造成了严重的资源浪费。由C−H键和C−C键组成的聚乙烯和聚丙烯化学稳定性强，在自然条件下降解困难，而将其作为碳氢资源用于生产更高价值的化学品具有非常重要的研究意义。但是采用负载型催化剂存在反应温度高、反应时间长、产物分布广等问题，且产物用做燃料仍会造成碳排放问题。
基于以上问题，中国科学院上海高等研究院王慧/罗虎团队采用活性金属限域策略得到Pt@S-1催化剂与酸性β分子筛串联，用于聚乙烯的加氢裂化反应中，高效制备石脑油，C5−C9烷烃选择性高达96.8%，可直接蒸汽裂解制乙烯单体，用于塑料再生，实现塑料的循环再生。该工作以 “Converting Plastic Wastes to Naphtha for Closing the Plastic Loop”为题Journal of the American Chemical Society上发表。此研究得到科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金和上海低碳技术创新功能型平台等多个项目的资助支持。
图1 废塑料循环经济策略
文章亮点
1.本文对比了不同催化剂用于聚乙烯加氢裂化反应中，发现将金属封装的Pt@S-1与具有合适酸性的β分子筛串联，催化性能最佳，在250 ℃，3 MPa H2，2 h的条件下，其液相产物收率最高，可达到89.5%，其中C5−C9的烷烃的选择性高达96.8%。酸性适中的β分子筛与Pt@S-1产物分布更为集中，二者的协同作用显著提升了催化效率。
图2不同催化剂及不同反应条件下的催化性能对比
2.本文针对负载型催化剂Pt/S-1和包覆型催化剂Pt@S-1与β分子筛串联催化产物存在的较大差异，进行了详细探究。与Pt/S-1和β分子筛相比，包覆型催化剂在较高的金属-酸比例时，产物分布更集中，且正构烷烃的选择性较负载型催化剂提高了10-20%，在一定程度上偏离理想加氢裂化。该团队推测金属封装和分子筛孔道的择形是造成以上差异的根本原因。
图3Pt@S-1与Pt/S-1表征与催化性能对比
该团队通过DFT和分子动力学计算，从中间产物烯烃的吸附和烷烃的脱附，以及不同烯烃的扩散等角度，证明Pt@S-1相对适中的烯烃吸附强度以及烷烃的脱附强度，利于中间产物烯烃的加氢反应和目标产物烷烃的快速转移（图4c）；Pt@S-1的择形作用更有利于正构以及短链异构烯烃在Pt纳米颗粒上进行加氢反应，而长链烯烃中间产物则由于较强的吸附作用和扩散阻力，难以进入S-1分子筛孔道而返回至β分子筛进行深度裂解。具有断键和异构作用的β分子筛与加氢Pt@S-1的协同作用，强化了LDPE加氢裂化生成高选择性石脑油产物的反应过程。
图4DFT及分子动力学
3.该团队提出塑料升级回收构建循环经济的概念，通过全生命周期分析（LCA）计算了该循环体系的能耗和碳排放，与传统石油路线合成塑料过程相比，该过程可节约15%的能量，减少30%的温室气体排放。
图5LDPE生产的不同路径及能量和碳排放
作者简介
王慧，中国科学院上海高等研究院研究员，博士生导师，主要研究方向为CO2、CO制高附加值化学品及其技术开发。曾获中国科学院优秀毕业生、“壳牌（shell）中国优秀科研成果奖”一等奖（唯一获得者）、中科院青促会会员、张江杰出创新创业人才。作为课题负责人承担了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院战略先导专项、上海科委重大项目、重大企业研发横向项目等多项研究工作，完成全球最大规模5000吨/年二氧化碳制甲醇工业试验。已在J. Am. Chem. Soc., Chem, Nature, Appl. Catal. B, ACS Catal.等期刊上发表SCI论文60余篇，申请中国发明专利70余项，获授权23项。
罗虎，青年高级工程师，主要从事生物质/塑料等固体废弃物清洁高效转化及外场强化耦合等研究工作，开展生物质热解气化并完成了千吨级中试示范，研发设备入选2021年《中国科学院自主研制科学仪器》产品目录。2017年赴德国Fraunhofer IMWS短期交流访问。主持国家自然科学基金，科技部国家重点研发计划子课题、中科院青年交叉基金以及上海市低碳功能型平台项目等。以第一/通讯作者在J. Am. Chem. Soc., AIChE J., Ind. Eng. Chem. Res., J. Hazard. Mater., Green Chem.等期刊发表论文10余篇，以第一/二申请人获得授权专利10件，PCT国际专利1件。
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https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.2c11407
来源：高分子科学前沿
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