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两篇Nat. Catal.:塑料垃圾这样变成能源

2021.01.03塑料合金材料

人类最伟大的现代发明之一就是塑料了,它在我们的生活中扮演了一个重要的角色。塑料袋、塑料瓶和塑料餐盒极大地方便了我们的生活,但是却也给我们带来了巨大的环境问题。超过75%的一次性塑料在使用之后无法被回收,它们会进入海洋、下水道等地,伤害野生动物并污染我们的环境。

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现在,世界上有至少49亿吨的塑料垃圾被掩埋在地下或自然界中。随着塑料市场的增长,目前全球每年生产3.8亿吨塑料,且产量还在增长。如果我们没有进一步采取措施,那么自然界将会被塑料所淹没。但是,这些问题处理起来非常棘手。
塑料的寿命是非常长的,一个塑料袋需要10到20年才能降解,一个塑料瓶需要500年才能降解。即使看着它好像“消失了”,但它的残余依旧存在。随着时间的推移,塑料会慢慢分解成更小的碎片,最终会成为非常微小的微塑料颗粒。每年都有1000万吨塑料流入海洋,但是在海面上漂浮的只是其中1%,剩下的全部变成了微塑料,它们可能被海洋生物所吞下。

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好消息是,人类目前已经意识到了问题的严重性。对于现有的塑料问题,科学家在研究如何对其进行转化。Nature Catalysis 杂志上线了一篇关于聚合物分解的论文 ,直接将多种塑料垃圾变成氢气。这项工作来自牛津大学Peter Edwards、Tiancun Xiao和剑桥大学John Thomas等研究者,他们使用微波激活铁基催化剂颗粒有效地降解粉碎的塑料垃圾,并提取氢气。整个过程只需一步,耗时仅仅30-90秒,就可将多种现实生活中的塑料垃圾转化为清洁燃料氢气,产率高达55.6  mmol/g塑料。此外,塑料垃圾降解完毕之后所剩下的固体残留物主要是多壁碳纳米管,也具有较高的应用价值。

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将塑料变成氢气已经为解决塑料污染做出了巨大的贡献,现在竟然还可将塑料变成柴油!可所谓一举两得啊。
日前,美国爱荷华州立大学Frédéric A. Perras、Aaron D. Sadow和黄文裕(Wenyu Huang)等研究者合作在Nature Catalysis 杂志上发表论文 ,他们受自然界中蛋白酶通过反复剪断分子链来消化蛋白质的启发,设计出一种基于介孔二氧化硅和铂纳米粒子的催化“剪刀”(mSiO2/Pt/SiO2),可以将常见塑料——高密度聚乙烯(HDPE)“剪”成小分子烷烃片段,所得产物可用于柴油及润滑油的制备。

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酶切蛋白质(上)与催化剂“剪”聚合物(下)过程示意图。图片来源:Nat. Catal. [2]
这种新型催化剂整体呈“介孔壳/活性位点/核”结构,铂纳米粒子活性位点位于二氧化硅壳层中介孔的底部(上图)。高密度聚乙烯长链可容易地在孔内移动,不过随后的逸出却受到聚合物-表面相互作用的抑制。这与蛋白质底物在蛋白酶催化裂隙中的结合和转运很类似。如此一来,介孔底部的铂纳米粒子活性位点就可以催化聚乙烯长链进行氢解反应,产生链长分布窄且可调节的烷烃产物。通过调节催化剂孔径,分别得到以C14、C16、C18为碳链分布中心的链烃混合物,为进一步转化和制造柴油以及润滑油提供了可能。

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不同条件下聚乙烯分解产物分布。图片来源:Nat. Catal. [2]
可能这些研究都还是实验室阶段的概念验证,但小编衷心希望这些将塑料垃圾变废为宝的方法可以早日大规模商业化推广。想想看,方便的塑料制品不仅不会再污染我们的陆地和海洋,反而可以成为生产燃料和增值碳产品的原料,这该有多好。除了将塑料转化之外,解决塑料问题的最好办法是从源头预防它。2020年1月,我们已经承诺禁止使用一次性塑料了。在不久的将来,我们一定能解决塑料问题,拯救地球环境,给后代一个可持续发展的空间。

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