天大刘国柱/福师大刘斯宝 JACS Au：混合塑料制环烷烃

学术 2024-10-25 08:15 中国台湾

第一作者和单位：刘洁怡，天津大学；王楠，天津大学

通讯作者和单位：刘斯宝，福建师范大学；刘国柱，天津大学

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacsau.4c00701

关键词：废塑料，加氢脱氧，环烷烃，镍，分子筛

全文速览

废塑料是极具利用潜力的碳氢资源。将芳香含氧废塑料加氢脱氧为环烷烃用于可持续燃料，既可以实现废塑料资源化和高值化利用，同时可缓解因化石能源不足带来的能源危机。目前芳香含氧废塑料加氢脱氧的研究中仍存在催化剂价格昂贵、活性与选择性较低，芳香含氧废塑料的加氢脱氧路径不明确以及单一催化剂难以处理混合塑料等问题。针对以上问题，本文首先以PET为研究对象，筛选不同分子筛和硅铝比负载的镍基双功能催化剂，发现采用乙二醇辅助浸渍法制备的Ni/HZSM-5(360)催化剂最为有效，可加氢脱氧PET废塑料为环烷烃，收率可达99.6%。乙二醇辅助浸渍法可有效提高金属镍的分散度，进而提高Ni/HZSM-5加氢脱氧活性。此外，催化剂通过焙烧-还原的方法进行再生，显示优异的加氢脱氧稳定性。

图1 不同Ni/HZSM-5催化PET加氢脱氧制环烷烃

通过结合PET加氢脱氧时间依存性实验和不同模型分子控制实验的方法，系统阐明了PET转化为环烷烃的详细反应路径：（1）PET在金属Ni位点随机氢解C-O键和C-C键断裂解聚为芳香酯和酸以及对二甲苯，其中靠近苯环的酰基C-O键（蓝色箭头处）更易发生氢解反应。（2）芳香酯和酸在金属-酸协同作用下加氢脱氧生成C₈环烷烃，并伴随着脱羧/羰、C-C键裂解和异构化反应生成C₆、C₇环烷烃和异构烷烃产物；而对二甲苯则直接加氢为C₈环烷烃。其中金属Ni位点催化C-O和C-C裂解以及氢化反应，而HZSM-5的酸性位点则促进脱水和异构化反应。

图2 PET加氢脱氧为环烷烃的反应路径

建立了金属与酸平衡（MAB）对PET加氢脱氧反应的构效关系。研究表明：随着MAB增大，环醇的脱水反应受到抑制，加氢脱氧反应速率下降。而金属Ni催化的C-C键裂解反应占主导，C₇环烷烃选择性增加；同时含氧中间体的异构化反应速率下降，导致异构烷烃产物选择性降低。因此，通过调控Ni/HZSM-5催化剂MAB可以有效调控催化剂的活性和产物分布。

图3 Ni/HZSM-5加氢脱氧混合废塑料为环烷烃

验证了Ni/HZSM-5催化剂加氢脱氧芳香含氧废塑料的普适性。该催化剂可将不同类型PET废塑料（可口可乐瓶，雪碧瓶，含可乐残渍的可乐瓶，白色和红色废弃纺织品），PC废塑料（CD、DVD透明PC板）和PPO废塑料以及不同组合的混合废塑料高效加氢脱氧为环烷烃，收率可达99%。

心得与展望

本研究构筑了低成本、高活性、高稳定性和高耐受性的Ni/HZSM-5双功能催化剂，实现了加氢脱氧PC、PET和PPO等芳香含氧废塑料及其混合废塑料制备可持续环烷烃燃料，总收率高于99.0%。详细解析了PC、PET和PPO加氢脱氧制环烷烃的反应路径，建立了金属-酸平衡（MAB）对加氢脱氧反应的构效关系并阐明了Ni/HZSM-5双功能催化体系中金属-酸的协同作用机制，为高效加氢脱氧催化体系的构筑提供了理论依据。

参考文献

[1] Liu, J.#, Wang, N.#, Liu. S.*, Liu G.*, Catalytic hydrodeoxygenation of mixed plastic wastes into sustainable naphthenes, JACS Au, 2024, https://doi.org/10.1021/jacsau.4c00701

[2] Wei, J.; Zhu, M.; Liu, B.; Wang, N.; Liu, J.; Tomishige, K.; Liu, S.; Liu, G., Hydrodeoxygenation of oxygen‐containing aromatic plastic wastes to liquid organic hydrogen carriers. Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 135 (46), e202310505.

[3] Liu, J.; Wei, J.; Feng, X.; Song, M.; Shi, S.; Liu, S.; Liu, G., Ni/HZSM-5 catalysts for hydrodeoxygenation of polycarbonate plastic wastes into cycloalkanes for sustainable aviation fuels. Appl. Catal. B 2023, 338, 123050.

[4] Wei, J.; Liu, J.; Zeng, W.; Dong, Z.; Song, J.; Liu, S.; Liu, G., Catalytic hydroconversion processes for upcycling plastic waste to fuels and chemicals. Catal. Sci. Technol. 2023, 13 (5), 1258-1280.

编辑: Bin Zhang

科学温故QQ群—科研爱好者集中地！（不定期发布讲座通知，分享录制视频）

微信群（学术交流/电催化/光催化/理论计算/资源共享/文献互助群；C1化学/生物质/单原子/多孔材料分舵），小编微信：hao-xinghua或alicezhaovip，备注“姓名-单位”。

http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI3NzUwMzM3OQ==&mid=2247656301&idx=1&sn=58e999f9f843041cb0a1ca920f9eb095

科学温故

知幽渺之理而收显著之效：从实验到理论，探索催化反应隐藏的信息与机理，打开催化过程“黑匣子”

【解读】云南大学袁申富Fuel：机器学习-双向推理建模预测焦炉煤气中H2和CH4浓度并推断最佳反应条件

【解读】AEM：热冲击法制备 MoO4 2- 调节的镍铁氧化物电极用于海水电解

【解读】Angew. Chem. ：单原子Pd嵌入NiGa金属间化合物表面高效催化炔烃半加氢

【解读】JMCA：高温冲击助力富锂层状氧化物，孪晶界提升电池性能

【展望】ACS Catal.：二氧化碳捕集与利用一体化技术—吸附与催化位点之间的选择、匹配及相互作用

【解读】ACB：CeO2-MnO2氧空位与酸性位点的调控并用于高效去除多组分VOCs

《中国科学基金》 | 姚玉鹏等：近十年 NSF 资助率和资助强度上升对我国科学基金资助工作的启示

中科院化学所刘会贞、张彬/武理陈丽华ACS Sustain. Chem. Eng.: Ni@NbO催化氢解C-OH保留C=O键

王殳凹/陈龙/赵超ACS Cent. Sci.：任务驱动的定制化哌嗪基COF用于高流速废气中低浓度放射性CH3 131I的捕获

【解读】Energy Materials：火焰喷雾热解合成铂基金属氧化物负载型催化剂及催化氧化活性识别

【解读】SPT：促进邻近以增强铁钙相互作用实现高效碳捕集与加氢

【解读】JACS：主动学习指导探索高性能高熵氧化物催化剂

【综述】Nat. Rev. Chem.: 介观结构的多孔纳米反应器

【解读】ChemCatchem：尖晶石型高熵催化剂在CO甲烷化反应中的自重构特性研究

河南理工张玉龙团队ACB：优化Ni-Mo催化剂活性位点间距促进合成气转化合成乙醇

【资讯】预存最高赠19%+免费测1年，一次预存，全年无忧！

【解读】上海交通大学刘成伟、肖文德CEJ：碳酸乙烯酯分离过程副反应及合成催化体系的优化研究

【解读】上海交通大学刘成伟、肖文德CES：电子特气硅烷低能耗合成技术的系统研究

【解读】ACB：Cu/ZnAl₂O₄尖晶石四面体位点阳离子重排促进CO₂加氢制甲醇

【解读】Fuel：Ru/CeO2-MgO集成CO2捕集与甲烷化—CeO2载体的形貌影响

【综述】化工进展：一步法加氢制生物航煤催化剂研究进展

【解读】ACB：镍铟合金对二氧化碳加氢产物的调节机制

福大&大化所Angew：随机掺杂态调控丙烷脱氢催化反应

【解读】中山大学严凯联合利物浦大学屠昕Angew：CO2辅助可控合成PdNi合金催化剂用于5-羟甲基糠醛的高选择性加氢

【解读】ACS Catal.：邻近酸-碱对增强C-H活化实现乙醇到正丁醇的高效转化

【解读】大连化物所傅强研究组Angew：反应气氛动态限域活性Ag纳米团簇实现宽温区CO氧化

【解读】Angew. Chem.：丙烷脱氢制丙烯高熵催化剂的创制

【解读】ACS ANM：焦耳加热法制备高效硼掺杂生物质碳纳米材料用于电化学合成过氧化氢

【解读】JAC：碳热冲击合成高性能 FeCoNiPtRu 高熵合金催化剂促进全水解

上海交通大学刘成伟，肖文德CEJ：碳酸乙烯酯分离过程副反应及合成催化体系的优化研究

上海交通大学刘成伟，肖文德CES：电子特气硅烷低能耗合成技术的系统研究

天大刘国柱/福师大刘斯宝 JACS Au：混合塑料制环烷烃

【解读】JEC：用于集成二氧化碳捕集与加氢的钌-钠协同界面纳米颗粒结构设计

【观点】催化学报CJCatal.：单原子催化—追寻催化领域的"圣杯”

【解读】Chem. Synth.：钯基稀土双原子催化剂上苯乙炔的高效选择性加氢

【解读】JEC：碳热冲击合成用于直接硼氢燃料电池的高熵纳米氧化物阴极材料

【解读】Chem. Sci.：解决金属纳米催化剂抗烧结性瓶颈问题新策略

【解读】Angew：具有超宽工作温度窗口的动态限域活性Ag纳米团簇助力CO氧化

【随笔】罗孟飞：SO2对贵金属催化剂甲烷、丙烷燃烧影响的差异性的一点认识

昆明理工大学祖运/辽宁石油化工大学杨野ACB：破译甲烷干重整在Ni@S-1纳米片分子筛催化剂上的瞬态碳足迹

【解读】上科大刘朋昕NL：一维到二维的晶化新机制

【解读】Chem. Sci.：打破多相催化中“活性-选择性权衡”新策略

【解读】ACS Catal.：富氧空位CeO₂负载钌单原子催化剂催化木质素加氢解聚为丙烯基单酚

【科普】如何测量一只鸡的表面积

【总结】JACS+Angew：γ射线催化CH4合成氨基酸&乙酸

【解读】ACS Catal.：具有增强Co负载量的木质素衍生Co单原子催化剂在温和条件下定向转化HMF为FDCA

【解读】JACS：非常规相金属合金的面控制合成及其高效氢气氧化

中南民族大学赵福真，李哲，李金林CEJ：高活性及稳定性Ni/混合晶型氧化铟催化剂上甲醇合成性能研究

【解读】郑州大学韩一帆教授团队ChemCatChem：合成气制甲醇反应物驱动的催化剂表面活性位点

分类

时事

民生

政务

教育

文化

科技

财富

体娱

健康

情感

旅行

百科

职场

楼市

企业

乐活

学术

汽车

时尚

创业

美食

幽默

美体

文摘

原创标签

时事社会财经军事教育体育科技汽车科学房产搞笑综艺明星音乐动漫游戏时尚健康旅游美食生活摄影宠物职场育儿情感小说曲艺文化历史三农文学娱乐电影视频图片新闻宗教电视剧纪录片广告创意壁纸头像心灵鸡汤星座命理教育培训艺术文化金融财经健康医疗美妆时尚餐饮美食母婴育儿社会新闻工业农业时事政治星座占卜幽默笑话独立短篇连载作品文化历史科技互联网

发布位置

广东北京山东江苏河南浙江山西福建河北上海四川陕西湖南安徽湖北内蒙古江西云南广西甘肃辽宁黑龙江贵州新疆重庆吉林天津海南青海宁夏西藏香港澳门台湾美国加拿大澳大利亚日本新加坡英国西班牙新西兰韩国泰国法国德国意大利缅甸菲律宾马来西亚越南荷兰柬埔寨俄罗斯巴西智利卢森堡芬兰瑞典比利时瑞士土耳其斐济挪威朝鲜尼日利亚阿根廷匈牙利爱尔兰印度老挝葡萄牙乌克兰印度尼西亚哈萨克斯坦塔吉克斯坦希腊南非蒙古奥地利肯尼亚加纳丹麦津巴布韦埃及坦桑尼亚捷克阿联酋安哥拉