炸裂！华东师大刘玥，发完Science，再发Nature Sustain.！
学术
2024-11-25 17:14
广东
全球塑料产量自20世纪50年代以来快速增长，截至2022年已达到每年约4亿吨。然而，目前仅10%左右的塑料废弃物被回收，且大部分采用机械回收方式，导致材料性能退化，最终难以重复利用。化学回收作为一种关键策略，可将塑料废弃物转化为高附加值产品，但混合塑料废料的处理极具挑战，尤其是含有聚氯乙烯（PVC）的塑料，其高的氯含量易导致催化剂失活、产物污染甚至引发氯污染。2023年，慕尼黑工业大学Johannes A.Lercher教授、刘玥教授、张伟博士发现离子液体能够激活小氯分子，同时将聚烯烃（如聚丙烯 (PP) 和聚乙烯 (PE)）分解为液态烃，该成果发表在《Science》上，为塑料回收开辟了新的思路。![]()
近日，华东师范大学刘玥教授、张伟教授等人在塑料回收领域再次取得重要进展，提出了一种“室温条件下聚氯乙烯（PVC）与聚丙烯（PP）协同再生”的创新策略。利用耐氯离子液体（[C4Py]Cl-AlCl3），在室温下实现PVC高效脱氯和混合塑料脱聚，生成高纯度、无氯液态碳氢化合物，碳氢收率高达97.4%。该项研究以“Room-temperature co-upcycling of polyvinyl chloride and polypropylene”为题，发表在《Nature Sustainability》期刊上。这一成果在塑料循环经济与废料管理领域具有重要意义。作者简介：刘玥，1986年生，华东师范大学青年研究员，紫江优秀青年学者。本科毕业于北京大学化学与分子工程学院，之后在北京大学化学与分子工程学院刘海超教授课题组，和慕尼黑工业大学化学系Johannes A. Lecher教授课题组从事多相催化与能源化学方面的研究。迄今在国际重要期刊上发表学术论文44篇，其中第一和通讯作者论文25篇，包括Science, Nat. Catal., Proc. Natl. Acad. Sci., Angew. Chem. Int. Ed.，J. Am. Chem. Soc.，Nat. Commun.，ACS Catal.，J. Catal. 等论文。获得国家"高层次海外人才引进计划"青年项目和华东师范大学"紫江优秀青年学者"等人才计划支持。1. 创新性工艺设计：提出了一种基于耐氯离子液体（[C4Py]Cl-AlCl3）的全新协同回收策略，实现了聚氯乙烯（PVC）和聚丙烯（PP）的高效协同再生。2. 环境友好与资源高效利用：反应条件温和，避免了高温、高压等能源消耗，同时将混合塑料中的碳和氢资源高效转化，碳氢收率高达97.4%。3. 广泛的实际应用潜力：该方法适用于处理含PVC和PP的实际生活废料（如塑料管材、塑料袋、口罩等），并对常见添加剂如塑化剂和填料具有良好的耐受性。图1 聚氯乙烯、聚丙烯及其混合物在离子液体中的协同转化性能分析图1展示了聚氯乙烯（PVC）、聚丙烯（PP）及其混合物在耐氯离子液体（[C4Py]Cl-AlCl3）中的协同转化性能。研究表明，单独处理PP的转化率为62.8%，而PVC仅发生部分脱氯且未生成液态碳氢化合物，而PP与PVC的混合物可实现100%转化，生成69.8%无氯液态碳氢化合物，并副产氯化氢（HCl）。反应后，PVC中C-Cl特征振动峰显著减弱，且出现C=C特征峰，表明脱氯和碳碳双键的生成，核磁共振进一步验证了这一脱氯及结构变化过程。同时，液态产物主要由C4-7、C8-12和C13+碳氢化合物组成，且未检测到含氯化合物，证明了产物高的纯度。图2研究了聚丙烯（PP）与聚氯乙烯（PVC）混合比例对其在耐氯离子液体（[C4Py]Cl-AlCl3）中协同转化性能的影响。结果表明，PP单独反应时转化率仅为62.8%，残留大量未转化固体；而随着PVC比例增加，PP的转化率显著提升，混合比例为3:3时，几乎实现完全转化，残留固体降至2.8%。当PVC比例进一步增加时，残留固体增多，并伴随生成暗色残留物，表明PVC转化效率下降。液态产物的组成也受到混合比例的显著影响，较高PP比例下产物以饱和烷烃为主，而随着PVC比例增加，产物中共轭烯烃和环状烯烃的比例逐步上升。此外，无论混合比例如何，生成的液态碳氢化合物均未检测到含氯物质，表明反应中脱氯效率极高，总体液态产物收率在67%-70%之间。图3 反应时间与温度对PP-PVC协同转化效率的影响图3探讨了反应时间和温度对聚丙烯（PP）和聚氯乙烯（PVC）协同转化的影响。结果显示，在室温条件下，PP-PVC混合物的转化迅速进行，10分钟内固体残留质量减少50.3%，120分钟内几乎完全转化，液态碳氢化合物的产量从最初的快速增长逐渐趋于平稳。副产物氯化氢（HCl）的生成速度高于液态碳氢化合物，表明脱氯过程先于脱聚反应。研究表明，温度升高显著提高了反应速率，50 °C条件下30分钟内实现完全转化，而在较低温度（0 °C或10 °C）时，反应效率降低，固体残留量较高，表明较低温度限制了热力学和动力学过程。此外，通过活化能计算，发现脱氯的活化能（38 kJ/mol）显著低于脱聚（55 kJ/mol），表明脱氯更容易进行。反应速率还受到PP和PVC颗粒尺寸的影响，较小的颗粒提高了反应效率，表明固体表面接触与传质限制是反应速率的关键因素。图4阐释了聚丙烯（PP）和聚氯乙烯（PVC）在耐氯离子液体（[C4Py]Cl-AlCl3）中协同转化的反应机制。反应以PVC的氯化物（C-Cl）脱除为起点，在离子液体作用下形成PVC链上的碳正离子，并通过连续的脱生成碳碳双键和副产物氯化氢。随后，PP通过氢转移将氢原子提供给PVC的碳正离子中间体，形成稳定的中间体，避免了大量残余氯的产生。与此同时，氯化物的进一步脱除触发β裂解（β-scission），引发C-C键的断裂，分解聚合物链，并生成共轭烯烃或环状烯烃等液态碳氢化合物。PP链上的三级碳更易形成稳定的碳正离子，显著促进了裂解反应的进行。此外，氢转移作用还触发PP链的裂解，形成液态碳氢化合物。机制分析表明，PVC和PP的协同作用是转化高效进行的关键，反应路径由脱氯、氢转移及裂解等步骤组成，最终实现无氯液态产物的高效生成，为优化混合塑料的化学回收提供了理论依据。图5展示了废弃聚氯乙烯（PVC）和聚丙烯（PP）塑料在耐氯离子液体（[C4Py]Cl-AlCl3）中的协同转化性能。实验分别使用PVC管材与PP桶，以及PVC袋与PP口罩作为反应原料，质量比为1:1，在25 ℃下进行转化。结果显示，两种废料组合均实现了高效转化，液态碳氢化合物的产率分别为58.0%和56.5%，副产氯化氢（HCl）的产率分别为22.5%和20.0%，固体残留量均低于0.8%。产物的碳氢分布主要集中于C4-7（34.2%-36.9%）、C8-12（39.6%-39.9%）和C13+（23.5%-25.9%），未检测到含氯化合物，表明脱氯过程完全且产物纯度高。此外，产物中检测到典型塑化剂（如邻苯二甲酸酯），证明离子液体体系对废料中常见添加剂具有良好的耐受性。研究表明，该方法可有效处理实际生活废弃塑料，具有广泛适用性和工业化潜力，为实现混合塑料废料的绿色化学回收提供了高效解决方案。本研究提出了一种基于耐氯离子液体（[C4Py]Cl-AlCl3）的室温协同升级再生方法，成功实现了聚氯乙烯（PVC）和聚丙烯（PP）混合废料的高效转化。在温和的反应条件下，PVC的氯被有效去除，并通过氢转移和裂解反应，将混合废料转化为高纯度的无氯液态碳氢化合物，碳氢收率高达97.4%。该方法不仅避免了传统塑料回收过程中的催化剂中毒和氯污染问题，还实现了副产氯化氢（HCl）的高效回收，展现了较高的环保性和经济性。该回收技术有望在塑料循环经济中发挥重要作用，为实现可持续塑料废料管理提供支持。Room-temperature co-upcycling of polyvinyl chloride and polypropylene. Nature Sustainability. https://doi.org/10.1038/s41893-024-01468-7.🏅 我们提供专业的第一性原理、分子动力学、生物模拟、量子化学、机器学习、有限元仿真等代算服务。🎯我们的理论计算服务，累计助力5️⃣0️⃣0️⃣0️⃣0️⃣➕篇科研成果，计算数据已发表在Nature & Science正刊及大子刊、JACS、Angew、PNAS、AM系列等国际顶刊。 👏👏👏
