解聚是一种很有前途的策略，可将废塑料回收为组成单体，然后进行再聚合。然而，许多商品塑料不能使用传统的热化学方法选择性地解聚，因为很难控制反应进程和途径。虽然催化剂可以提高选择性，但它们容易受到性能下降的影响。来自University of Maryland的胡良兵教授和Princeton University的琚（璩）诒光教授合作撰文提出了一种无催化剂、远离平衡的热化学解聚方法，该方法可以通过热解从商品塑料聚丙烯（Polypropylene: PP）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（Ethylene Terephthalate: PET）中生成单体。这种选择性解聚过程通过两个特征实现：（1）空间温度梯度和（2）时间加热曲线。空间温度梯度是使用多孔碳毡的双层结构实现的，其中顶部电加热层产生热量并将其传导至下面的反应器层和塑料。由此产生的温度梯度促进塑料在遇到穿过双层的升高的温度时持续熔化、芯吸、汽化和反应，从而实现高度解聚。同时，脉冲电流通过顶部加热器层会产生时间加热曲线，该曲线具有周期性的高峰值温度（例如约600 °C）以实现解聚，而瞬时加热持续时间（例如0.11 s）可以抑制不必要的副反应。使用这种方法，作者将PP和PET解聚成它们的单体，产率分别约为36%和43%总体而言，这种电致时空加热（Spatiotemporal Heating: STH）方法可能为全球塑料废物问题提供解决方案，相关内容于2023年以“Depolymerization of plastics by means of electrified spatiotemporal heating”为题发表在Nature（IF=50.3）上，本文的第一作者是Dong, Qi 。Tips：“芯吸效应”是超细纤维特有的性能，是指超细纤维中孔细，接近真空时，近水端纤维管口与水分子接触形成纤维中真空孔隙，此时大气压值超过纤维内部的真空，水就自然压积进入纤维孔隙中，纤维孔隙越细，芯吸效应愈明显，这种芯吸透湿效应愈强。
1. 背景介绍
每年都有大量塑料垃圾流入海洋，威胁野生动植物并破坏生物多样性。此外，空气和市政饮用水中还发现了微塑料和塑料微纤维，对健康和生态构成威胁。清除塑料垃圾常见但极不可持续的方法，包括焚烧或填埋，前者碳排放量极高且会污染空气，而后者会对环境造成长期损害。另外，许多热塑性塑料可以通过机械加工回收成低端但有用的材料。然而，机械塑料回收方法通常产品价值有限。要继续使用塑料，必须制定有效的塑料回收和升级再造战略，以确保可持续的未来。最近，塑料热化学分解已成为将塑料废物转化为增值化学品的有前途的途径。在众多塑料热化学分解途径中，选择性解聚为单体具有很大的经济效益，因为生成的单体可以在后续聚合反应中重新用于另一个产品的生命周期，或作为其他工艺的化学原料。虽然一些上限温度相对较低的塑料可以通过传统的热化学方法（如热解）轻松解聚（例如聚甲基丙烯酸甲酯和聚苯乙烯），但大多数聚烯烃和聚酯无法高选择性地转化为其单体，因为传统方法缺乏对反应进程的精确控制。这是因为反应物和中间产物的物理化学变化很复杂（例如熔化、汽化、分解等），而且在塑料持续加热的过程中，解聚途径会发生激烈的竞争性副反应，从而产生除单体以外的一系列产物（例如气体、可冷凝烃、芳烃等）。为了解决这个问题，传统的热化学工艺通常使用催化剂来提高产品的选择性。然而，催化剂容易出现性能下降，对解聚选择性的改善有限。例如，在没有催化剂的情况下，PP的热解通常单体产率仅为10% 左右，使用优化的催化剂时单体产率会低于25%。在另一个例子中，PET的热解会产生各种芳香族物质，1, 4-苯二甲酸单体的产率通常低于25%。这里作者展示了一种基于电致STH的无催化剂、远离平衡的解聚过程，该过程可以控制反应进程和途径，以高产率将大宗塑料转化为单体。在这个过程中，将双层多孔碳毡接触放置在固体塑料反应物储存器上方如图1（a）所示。然后，作者将脉冲电流施加到顶部碳加热器层，产生的热量传导到底部碳反应器层和下面的塑料反应物，形成垂直分布的空间温度梯度。这个温度梯度使塑料在储存器中熔化，并通过毛细力不断向上通过底部碳反应器层的多孔纤维网络如图1（a）所示。当液态聚合物在逐渐向上移动的同时经历足够高的温度时，塑料就会分解。随着温度升高，挥发性物质进入气相（例如，约350 °C时C<20），继续扩散通过多孔结构并与反应器层的较高部分以及顶部碳加热器层相互作用以进一步裂解如图1（a）所示。在这些区域中，快速加热脉冲（例如，高加热速率 >103 °C·s-1，PP 的Tpeak高达约600 °C，PET的Tpeak高达约1,050 °C）提供足够的能量来破坏连接单体碎片的C–C或C–O键。同时，每个脉冲周期中的瞬态加热持续时间（例如0.11 s）与采用连续加热的操作相比，有可能降低能源成本，更重要的是，防止反应接近化学平衡，否则将通过随机 C-C键断裂、脱氢、C-C键偶联、芳构化等形成大量不良副产物（例如甲烷、芳烃）。这些过程具有更高的能量要求或更长的反应时间，与单体形成过程相比，应通过在每个脉冲周期中瞬时加热时间（例如0.11 s）后的快速冷却（例如，冷却速率 > 120 °C ·s-1）更强烈地减慢这些过程，从而实现高单体选择性。此外，双层结构内的连续熔化、芯吸、汽化和反应过程使中间产物（即液相和气相中的较短聚合物和低聚物）逐渐向上扩散通过多孔支架，并在增加的停留时间内经历多个加热脉冲，从而达到高度的解聚和提高的单体产率。![]()
Fig. 1 | The working
principle of the electrified STH approach. a, Schematic demonstrating the STH
process in the bilayer configuration and the molecular transformation from
polymer to monomer using PP as a model plastic. b, The depolymerization
reactions of PP (as a model polyolefin) and PET (as a model polyester) to their
monomers by STH, with yields of about 36% and about 43%, respectively, using a
non-optimized pulsed heating programme of 0.11 s power on and 0.99 s power off
in every pulse cycle. Tpeak refers to the peak temperature of the
periodic pulse cycles in a temporal heating profile.
图 1. 电致STH方法的工作原理。a、示意图展示了双层配置中的STH过程以及使用PP作为模型塑料从聚合物到单体的分子转变。b、PP（作为模型聚烯烃）和PET（作为模型聚酯）通过STH分解成其单体的反应，产率分别约为 36% 和 43%，使用非优化脉冲加热程序，每个脉冲周期通电0.11 s，断电 0.99 s。Tpeak是指时间加热曲线中周期性脉冲周期的峰值温度。
利用空间和时间加热效应，作者使用电致STH方法分别解聚PP和PET作为模型聚烯烃和聚酯塑料，它们具有C–C和C–O主链如图1（b）所示。使用STH热解PP和PET，从聚合物到单体的产率分别约为36％和43％，与传统的热化学方法相比，产率要高得多。请注意，作者的方法不需要任何催化剂，因为STH不仅通过控制反应进程和途径提供高选择性，而且还会产生周期性的高温（例如，PP热解每0.11 s约600
°C），从而实现快速键活化，从而实现高瞬时反应速率。作者进一步表明，电致STH 工艺在实验室规模上表现出良好的可扩展性，并且可以以连续模式运行，使用可再生电力，与传统技术相比，二氧化碳排放量更低。总体而言，这种电致STH工艺对于提高商品塑料的可持续性具有巨大潜力。作者首先使用PP作为模型商品塑料来探索这种电致STH方法，因为它在所有合成聚合物中占有最大的市场份额之一。将PP选择性解聚为其单体丙烯 （C3H6）已被证明是一项挑战，因为传统方法难以控制反应进程和途径，这通常会导致产生各种不同碳数的产物。在典型的过程中，作者通过层压两层多孔碳毡（加热器层：25×9×2.3 mm；反应器层：13×6×4.7 mm）来组装STH系统，并将其放置在包含固体PP反应物的小容器顶部。该结构安置在一个石英管（内径10.5 mm）中，该石英管具有用于惰性氩气载气流动的入口和出口，以及用于使用Cu电极将顶部碳加热器层连接到电源的电线如图2（a）所示。对顶部碳加热器层施加重复的电脉冲如图2（b）所示，会产生瞬态焦耳加热效应，作者认为这会在反应器层的顶部和底部表面之间产生垂直温度梯度。当聚合物向上移动通过双层碳毡结构时，温度梯度应促进聚合物的连续熔化、芯吸、汽化和反应图2（c）所示。请注意，作者使用较薄的碳毡（约2.3 mm）制造顶部加热器层，以降低热惯性，从而提供快速的加热和冷却速率，而底部碳反应器层较厚（约4.7 mm），以便能够逐渐吸收聚合物熔体并扩散挥发性中间体物质，从而增加停留时间。![]()
Fig. 2 | The porous
carbon felt bilayer of the STH system and its depolymerization process by means
of pulsed electrical heating. a, The STH system is assembled from a porous
carbon felt ‘heater layer’ that is placed in soft
contact on top of a carbon felt ‘reactor layer’. The reactor layer then rests on top of the plastic reactant (PP beads
shown here), which is contained within an inert reservoir. Note that in this
picture the PP beads are intentionally stacked above rather than inside
the reservoir only for demonstrating the assembly of the setup. For STH
operations, the PP beads are placed inside the reservoir. For heating, an
electric current is passed through the top heater layer by means of the copper
electrodes, whereas the bottom reactor layer is non-electrified. b, The
periodic pulsed electrical signal applied to the STH system. c, Schematic of
the STH system during pulsed electrical heating. The red, pink, green and blue
lines indicate where the temperature profiles were measured for Fig. 2 g, h.
The dashed black box indicates where the SEM images were taken for Fig. 2d–f. d, SEM image showing the bottom region of the pristine reactor layer.
e, SEM image showing the infiltration of the plastic melt into the bottom
region of the reactor layer within 5 min of STH operation (power on for 0.11 s
at about 22 V, power off for 0.99 s). f, SEM image showing the bottom region of
the reactor after 35 min of STH operation. g, Temperature maps of the heater
and reactor layers at various time points during one heating/cooling cycle of
1.10 s total (power on for 0.11 s at about 22 V, power off for 0.99 s), measured
in a lab-built argon-filled environmental chamber. h, The temporal temperature
profiles at four representative positions of the STH system, in which the red,
pink, green and blue curves correspond to the red, pink, green and blue
positions shown in c. The light-orange region indicates ‘power on’, whereas the light-blue region indicates ‘power
off’. Scale bars in d–f, 100 μm.
图2. STH系统的多孔碳毡双层及其通过脉冲电加热的解聚过程。a，STH 系统由多孔碳毡“加热器层”组装而成，该加热器层与碳毡“反应器层”顶部软接触放置。然后，反应器层位于塑料反应物（此处显示的PP珠）的顶部，该反应物包含在惰性容器内。请注意，在此图片中，PP珠故意堆叠在容器上方而不是内部，仅用于演示装置的组装。对于STH操作，PP 珠放置在容器内。为了加热，电流通过铜电极通过顶部加热器层，而底部反应器层不带电。b，施加到STH系统的周期性脉冲电信号。c，脉冲电加热期间的STH系统示意图。红线、粉红线、绿线和蓝线表示图2g、h 的温度曲线测量位置。虚线黑色框表示图 2d-f 的 SEM 图像的拍摄位置。d，SEM 图像显示原始反应堆层底部区域。e，SEM 图像显示塑料熔体在STH运行后5 min内渗透到反应堆层底部区域（通电 0.11 s，电压约22 V，断电0.99 s）。f，SEM 图像显示 STH 运行35 min后反应堆底部区域。g，在实验室建造的充满氩气的环境实验箱中测量的一个加热/冷却循环（通电0.11 s，电压约22 V，断电 0.99 s）中各个时间点的加热器和反应堆层的温度图。h，STH 系统四个代表性位置处的时间温度曲线，其中红色、粉色、绿色和蓝色曲线对应于c中所示的红色、粉色、绿色和蓝色位置。浅橙色区域表示“电源开启”，而浅蓝色区域表示“电源关闭”。d-f 中的比例尺为100 μm。
为了演示STH过程，作者将0.1 g PP 放入反应物储液器中，并对顶部加热器层施加约22V电压0.11
s，然后关闭电源0.99 s。作者重复这个电脉冲循环35 min，此时储液器中的所有 PP 都已发生反应。使用扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscopy: SEM），作者通过在特定时间点停止批量STH反应观察到塑料熔体通过反应器层底部的芯吸。多孔反应器层由碳纤维网络组成如图2（d）所示，在脉冲电加热5min内逐渐被塑料熔体填充如图2（e）所示。35
min后，反应器层再次恢复到原始状态，几乎没有观察到固体残留物或固相产物如图2（f）所示。此外，在装入PP之前和批量STH反应35 min后，双层碳毡和储层的总重量几乎没有差异。这些结果表明，通过施加脉冲电加热，塑料完全热解，焦炭形成不明显。请注意，碳毡中的纤维不需要加载催化剂来进行反应（尽管在之前的聚合过程中，塑料反应物中可能残留一些催化残留物）。这使得电致STH方法不易受到催化剂降解的影响，从而提高了系统的耐用性和可重复使用性。为了解加热过程，作者使用红外摄像机测量了两层碳毡外表面的温度分布。由于石英管壁阻挡了红外信号，作者模拟了STH系统的配置，将双层结构放置在充满氩气的实验室环境实验箱中，并有一个开口，以允许红外信号传输到红外摄像机。根据使用环境实验箱获取的温度分布图如图2（g）所示，作者在1.10 s的时间段内（即一个脉冲周期，通电0.11 s，电压约为22 V，断电0.99
s；如图2（h）所示），在双层结构的代表性垂直位置如图2（c）所示，取了四个温度曲线。加热器和反应器层之间的界面区域似乎具有最高峰值温度（Tpeak）。接通电源0.11 s后，该区域的温度（红色轨迹，如图2（h）示）迅速升至约600 °C，然后在切断电源输入后0.99 s内回落至约475 °C，完成电源开/关循环，对应的加热速率为>103 °C s-1，冷却速率为约126 °C s-1。请注意，加热器和反应器层之间的界面区域（红色轨迹）和反应器层顶部（粉色轨迹）的温度范围远高于PP开始出现表观重量损失的温度（约420°C），这表明聚合物汽化和反应过程很容易在这些区域以下发生。与这些顶部不同，反应器层的中部和底部（绿色和蓝色轨迹）在一次电源开启/关闭循环内的温度变化要小得多（< 35 °C），这可能是因为反应器层的顶部吸收了来自加热器的大部分辐射热通量。这些结果表明，反应器层顶部附近和加热器层中的反应物受到脉冲加热，而反应器底部附近的反应物则在几乎恒定的温度下几乎连续加热。这四个温度曲线还显示了从475到600 °C（顶部）到约320 °C（底部）的垂直分布温度梯度。请注意，使用环境实验箱的这种温度测量装置提供了更好的空间分辨率来区分加热器和反应器层；然而，碳毡双层的周围环境（即环境实验箱的壁）与用于实际STH操作的石英管中的环境略有不同。为了证实环境实验箱测量结果，作者还使用定制的石英管（内径10.5 mm）测量了双层的温度，管壁上的开口较小，用于传输红外信号，这应该能够与真实的STH系统提供更好的一致性，尽管由于管壁上的开口尺寸有限，空间分辨率较低。使用定制石英管进行的测量显示出与图2（h）中所示的几乎相同的时间温度曲线，这表明实验室建造的环境实验箱在进行温度测量方面的准确性和稳健性。请注意，双层结构的作用对于STH至关重要，因为它可以产生温度梯度，从而确保连续的熔化、芯吸、蒸发和反应过程。如果作者不使用加热器/反应器双层设计，而是使用单个碳层来加热容器中的整个塑料熔体，则不会有温度梯度来促进芯吸效应，导致对反应进程的控制不佳。此外，与使用单个加热器层的操作相比，反应物通过多孔反应器层的逐渐芯吸和扩散使中间产物的停留时间增加，从而经历更多的加热脉冲，这应该会提高解聚程度和单体产量。作者采用火焰离子化检测气相色谱法（Chromatography With Flame Ionization Detection: GC-FID）量化PP热解批量反应过程中下游收集的氩气载气中各种物质（例如CH4、C2H4、C3H6等）的产量。将典型的脉冲加热程序（约22 V时通电0.11 s，断电0.99
s，一次通电/断电循环1.10 s；总运行时间35 min）应用于0.1 g PP 珠粒后，作者获得了35.5％±6.2％的高C3H6单体产量（如图3（a）所示），其中大部分C3H6 单体在前10 min内获得。尽管无催化剂STH工艺的产量尚未优化，但与文献中通过无催化剂热解P所报道的值相比已经高得多（例如，约10％；如图3（a）所示）。此外，即使使用优化的催化剂和工艺，包括可以通过控制s内时间尺度来减少副反应的快速热解方法（通常< 25%；如图3（b）所示），STH的C3H6单体产量与文献相比也是最高的。请注意，与这种快速热解方法相比，作者的STH方法增加了一个新的可调性维度，具有加热器提供的毫s级瞬态加热持续时间，可与现有的快速热解技术相结合，以获得更有利的合成结果。 为了探索PP热解的反应途径并了解STH所起的作用，作者通过ReaxFF进行了反应分子动力学模拟，该算法模拟了一个空间和时间上均质的反应器。从起始聚合物分子到近平衡产物的反应过程模拟在1,527 °C下进行，该温度高于STH的操作温度，以便在合理的模拟时间内（即< 1年）提取完整的反应进程。PP分子首先裂解成较小的聚合物物种、低聚物和单体片段（大约5.5 ns），然后脱氢、重组并逐渐形成更大和不饱和的物种（大约28 ns和大约100 ns）。作者绘制了单体数量与模拟反应时间（最长约100 ns）的关系图，发现单体数量在约5.5 ns时迅速达到峰值，然后随时间持续下降。同时，H2分子的数量在整个模拟反应时间范围内增加，表明脱氢副反应（C-H键断裂）持续发生。这些结果表明，通过时间加热曲线实现瞬态加热持续时间（越接近单体数量最高的时间尺度越好）有助于实现高单体选择性，同时减少副产物（例如甲烷、芳烃等），这些副产物的形成过程具有较长的时间尺度。请注意，尽管长时间连续加热可能会导致不必要的副反应，但研究发现，由于解聚和裂解程度增加，较长的停留时间会促进塑料热解形成气态产物，包括所需的单体（例如甲烷、乙烯、乙炔、C3H6单体）。因此，具有空间温度梯度的双层设计对于通过逐渐熔化、芯吸、汽化和反应过程对反应物和中间产物施加增加的停留时间和因此多个加热脉冲以提高单体产率至关重要，同时允许时间加热曲线帮助减少每个加热/冷却循环中的副反应。 提高加热速率还可提高塑料热解生成气态产物（包括单体）的产率。鉴于STH碳加热器的加热速率远高于传统设备，作者进行了一项对照实验，通过将单个碳加热器层放置在含有0.1 g PP珠的储液器下方来隔离加热速率的影响。这种设置使作者能够消除空间温度梯度和时间加热曲线，而只关注加热速率的影响。通过快速升温（小于103 °C s-1，与STH工艺相同），然后在600 °C（等于STH中的最高Tpeak）下恒温保持（即连续加热）35 min，作者获得的C3H6单体产率仅为16.7％±6％。该结果表明，与空间温度梯度和时间加热曲线相比，STH的快速加热速率对单体产率的提高作用相对较小。接下来，作者探索了STH方法的实用性。作者发现STH系统在连续操作中表现出良好的可重复使用性，C3H6单体产率始终保持在接近36％的高水平（如图3（c）所示）。然后，作者研究了STH方法在实验室规模上的可扩展性，以探究其在塑料实际解聚方面的潜力。由于STH反应需要垂直温度梯度，这限制了加热器和反应器层的潜在厚度，因此STH工艺的扩展应更多地取决于双层的表面积（即宽度×长度），而不是其体积。因此，为了扩大反应规模，作者首先将PP进料的质量和双层结构的表面积增加了一倍（PP：0.2 g；加热器：50×9×2.3 mm；反应器：26×6×4.7 mm），以及功率输入（从约22V增加到约32V），以获得可比的温度曲线（例如，Tpeak、加热和冷却持续时间）。所得C3H6单体产率为34.2％——与初始规模0.1 g PP进料测得的产率相当（如图3（d）所示）。在这两个规模下，平均 C3H6生成速率也相当（即，对于0.1 g和0.2 g PP进料，分别为4.6×10-3 g·cm-2·min-1和4.4×10-3g ·cm-2 ·min-1；如图3（d）所示），其中大部分C3H6单体在35min的间歇反应中的前10 min内获得。为了进一步扩大该工艺，作者随后制造了一个更大的STH系统，其中加热器和反应器层安装在内径为34 mm的更大的石英管中，与小规模反应系统相比，其横截面积大了十倍以上，从而使PP进料相应增加十倍（从0.1 g到1.0
g）。利用该系统，通过增加加热器和反应器层的表面积以及施加的电压以维持温度曲线（加热器层：100×18×2.3 mm；反应器层：35×12×4.7 mm；40 V），作者仍然能够获得33.8％的高C3H6单体产率，这与使用较小规模STH系统测得的值相当（如图3（d）所示）。PP在35
min后也完全反应，大部分C3H6单体在前12 min内被检测到。值得注意的是，通过增加石英管的尺寸，平均C3H6生成率从4.4-4.6×103 g ·cm-2 ·min-1增加到6.7×103 g ·cm-2 ·min-1。这可能是因为较大石英管的表面积与体积比减小，从而改善了热传递并减少了系统的热量损失。总体而言，这些结果展示了将STH方法扩大到实际应用的潜力。最后，为了证明这种 STH 方法对大宗塑料的实用性，作者通过应用典型的脉冲加热程序（约22 V通电0.11 s，断电0.99 s，一次通电/断电循环1.10 s；总运行时间：35 min）和较小规模的STH系统对商用PP基产品（即PP袋）进行了热解。尽管PP袋中含有增塑剂、抗氧化剂、稳定剂等添加剂，作者仍然实现了 34.3％±7.5％的高C3H6单体产率（图3（e）所示），与在相同操作条件下使用STH热解PP珠粒的产率（35.5％±6.2％）相当。![]()
Fig. 3 | The
depolymerization performance of the STH approach using PP as a model plastic.a,
Comparison of the C3H6 monomer yield between our work
using STH under far-from-equilibrium conditions and a literature report using
catalyst-free pyrolysis by furnace heating under near-equilibrium conditions18.
b, Comparison of the C3H6 monomer yield between our work
using STH and literature reports using different catalysts, reaction media
and/or processes15–19. c, The C3H6monomer yield of four consecutive PP pyrolysis batch reactions using STH. d,
The C3H6 monomer yield and production rate as a function
of the reaction scale. The scaling factor is based on the PP mass feed, with
the initial scale of 0.1 g PP defined as 1. e, The C3H6 monomer yield by STH
using PP beads and a commercial PP bag. All STH processes used a programme of
0.11 s on, 0.99 s off and Tpeak ≈ 600 °C. The data shown in this
figure are listed in Supplementary Tables 1 and 2. ID, inner diameter.
图3. 使用PP作为模型塑料的 STH方法的解聚性能。a，在远非平衡条件下使用 STH 的工作与文献报道在近平衡条件下使用无催化剂热解的 C3H6单体产量比较。b，使用 STH 的工作与文献报道使用不同催化剂、反应介质和/或工艺的 C3H6 单体产量比较15–19。c，使用STH进行四个连续PP热解批量反应的 C3H6单体产量。d，C3H6单体产量和生产速率与反应规模的关系。缩放因子基于PP质量进料，初始规模0.1 g PP 定义为1。e，使用 PP 珠和商用PP袋通过 STH 获得的C3H6单体产量。所有STH工艺均采用开启0.11 s、关闭0.99 s且 Tpeak ≈ 600°C 的程序。本图显示的数据列于补充表1和表2中。ID，内径。
除了解聚作为代表性聚烯烃的PP之外，作者还采用电致STH方法来解聚作为代表性聚酯的PET，PET不仅广泛用作塑料，也用作织物。为了解聚 PET，作者使用STH系统应用与PP相比更高的Tpeak，因为PET的熔点更高（约250 °C而PP约为160 °C）。作为非优化的概念验证演示，作者在顶部碳加热器层上使用约26 V的通电（加热）持续时间为 0.11 s，断电（冷却）持续时间为0.99 s，以在整个双层结构中产生约1,050 °C的最高Tpeak。通过提高加热器的温度，反应器底部的温度也会相应升高，这有助于确保反应物具有良好的流动性，从而有效、连续地通过底部多孔碳反应器层进行芯吸。作者通过气相色谱-质谱法对解聚后的PET进行了定性产物分析，结果表明单体产率（即1,4-苯二甲酸的相对丰度）高达约43％，同时还有约6％的单体状产物（即1, 4-苯二甲酸、1-乙烯基酯的相对丰度），总计约49％。与文献中热解等传统热化学方法相比（例如< 25％），该单体产率是最高的。1, 4-苯二甲酸单体可能是在惰性环境下PET热解过程中基于β-CH氢转移机理形成的，液相产物中存在1, 4-苯二甲酸、1-乙烯基酯和气相产物中存在乙炔证实了这一点。同样，当作者将相同工艺应用于商用PET塑料瓶时，作者获得了约45％的1,
4-苯二甲酸和1, 4-苯二甲酸、1-乙烯基酯总产率，这接近于相同操作条件下PET颗粒中单体和类单体物质约49％的总产率。除了反应物范围广泛（即聚烯烃和聚酯）和单体产量提高外，STH方法还具有良好的连续加工潜力，而不是批量反应。在此过程中，固体塑料废物将被机械粉碎成较小的碎片，这些碎片更容易熔化。然后，这些碎片将被放入保持在熔化温度以上的储液器中以形成液体。 然后，塑料熔体将填充储液器，与双层结构的反应器层接触并进行解聚过程，以高选择性和高产量产生单体。最后，将产物收集在双层区域上方以进一步分离和储存。作者注意到，STH 系统中的碳加热器可以由可再生电力供电，而塑料废物的熔化可能使用可再生能源（例如聚光太阳光）来实现，从而使整个系统更加节能、环保和可持续，并减少二氧化碳排放。3. 结论
在这项工作中，作者展示了一种无催化剂、远离平衡电致STH方法，该方法可以通过热解将PP和PET选择性地高产率解聚为其单体，这为塑料废物的回收提供了一种有希望的途径。作者使用双层多孔碳毡结构，通过脉冲电加热实现连续的塑料熔化、芯吸、汽化和反应过程。双层结构中产生的空间温度梯度通过对反应物和中间体实施长停留时间实现高度解聚。同时，时间加热曲线通过在每个脉冲周期中应用较短的加热时间（即0.11 s）潜在地抑制了副产物和二次反应的形成。作者还通过增加双层的表面积探索了STH方法在实验室规模上的可扩展性，这使作者能够在不影响单体产量的情况下将PP质量进料增加十倍，展示了这种方法在实际应用中的潜力。请注意，本文描述的STH 中PP和PET热解反应的单体产量尚未优化。为了进一步改善反应结果，可以修改反应器层的材料特性（例如孔形状、孔径和分布、表面能等），以增强塑料熔体芯吸和气体扩散过程。此外，与连续加热不同，通电STH工艺可以通过改变输入功率和毫秒级的开/关时间尺度来控制，使作者能够调整加热持续时间、频率和加热脉冲温度以及反应器层中的温度分布，以优化产品产量并降低能源成本。随着作者从实验室规模和概念验证演示转向真正大规模和连续的反应器，数据驱动的机器学习算法（例如温度曲线的贝叶斯优化）也可以帮助确定反应参数，以优化针对特定原料和所需产品的产量。与传统热化学方法相比，电致STH方法不仅具有良好的性能和潜在的更好的可调性，还可以与商用工具进一步集成，使用可再生能源连续运行，从而提高能源效率并减少二氧化碳排放。总体而言，这种电致STH方法具有巨大的潜力，可以将一系列塑料、生物质和其他超分子转化为可持续、节能和可扩展的增值化学品制造。电产生的热梯度可以促进选定的聚合物热解为单体，同时提高产量和选择性。假设光热加热可以将光催化的优势（对自由基形成的时间和空间控制）与热量的普遍性相结合，以执行具有挑战性的转化。![]()
个人简介：
何源 20岁 共青团员，四川南充人；
邮箱：hy3101148526@foxmail.com
学习及工作经历：2022.09~至今 本科生 西华大学化学专业
2022.09~至今西华大学碳点功能材料实验室进行创新实验
