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聚乙烯變廢為寶新途徑 現有催化劑功不可沒(méi)
2016-06-23
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近日，中科院上海有機所與美國加利福尼亞大學(xué)的研究者將已知的催化劑重新改造，成功地催化分解一系列聚乙烯塑料，將其轉化為液體燃料以及其它有價(jià)值的化學(xué)物質(zhì)。研究學(xué)者表示，更加高效耐用的催化劑也正在開(kāi)發(fā)中，用以進(jìn)一步提升聚乙烯塑料回收效果，防止數以百萬(wàn)噸的塑料堵塞垃圾填埋場(chǎng)和飄散在海洋里。
聚乙烯由乙烯分子聚合而成，基本結構單元為“-C2H4-”。聚合催化劑將成千上萬(wàn)的乙烯分子連接成線(xiàn)性或具有分支的長(cháng)鏈，而不同的鏈結構會(huì )影響聚乙烯塑料的硬度、韌性和密度。在大多數情況下，所得到的聚乙烯性質(zhì)穩定不易分解。
聚乙烯變廢為寶新途徑 現有催化劑功不可沒(méi)
聚乙烯的穩定性源于一個(gè)簡(jiǎn)單的事實(shí)：原子之間由高度穩定且不易斷裂的碳碳鍵或碳氫鍵連接而成領(lǐng)導該項工作的加州大學(xué)歐文分校的化學(xué)家Zhibin Guan解釋道。為了改變這一狀況，Guan聯(lián)合中科院上海有機所的Zheng Huang等研究者對來(lái)自北卡羅來(lái)那大學(xué)教堂山分校的兩種已知的催化劑重新改造，用于研究。這種催化劑通常用于將短鏈的烷烴連接為更長(cháng)且更有價(jià)值的碳氫鏈，就像柴油中的那些長(cháng)鏈烷烴。
當兩催化劑中加入短鏈烷烴時(shí)，第一種催化劑將一個(gè)烷烴分子中氫原子與相鄰碳原子分離，新生成的化學(xué)中間體相互鍵合，相鄰的碳原子之間形成雙鍵。新生成的雙鍵較弱，使得短鏈的烷烴不再像之前那樣穩定——第二種催化劑在此處將烷烴鏈分裂!分裂后的化學(xué)中間體再相互反應，形成更短的烷烴與中等長(cháng)度的烷烴的混合物。后者通常含有10至12個(gè)碳原子——即柴油燃料的絕佳成分。
因此，Guan 和 Huang考慮，同樣的過(guò)程是否可以反過(guò)來(lái)用于分解含有大量碳原子的長(cháng)鏈聚乙烯分子呢?為了探究真相，他們將聚乙烯廢物(如垃圾袋)和短鏈烷烴混合，然后加入到這兩種催化劑中。結果與猜想一致，第一種催化劑脫去長(cháng)鏈聚乙烯分子和短鏈烷烴分子上的氫，使得相鄰碳原子形成雙鍵;第二種催化劑利用雙鍵分裂分子并且隨機地將分裂后的中間體連接起來(lái)。最終發(fā)表在Science Advances的結果是這樣的：他們持續降解長(cháng)鏈烷烴分子，直到碳鏈達到燃料和其他有價(jià)值的碳氫化合物的鏈長(cháng)度。
相關(guān)學(xué)者表示，這項工作很具有創(chuàng )新性，并且使得這些催化劑得到巧妙地應用。但同時(shí)他提醒道，這個(gè)過(guò)程仍有一些問(wèn)題需要解決，才有可能實(shí)現商業(yè)化。首先，目前催化劑需要一天或一天以上的時(shí)間才能緩慢分解聚乙烯。此外，催化劑也較為昂貴，并且在分解幾千個(gè)(算很少一部分)聚合物鏈之后催化劑就會(huì )失效分解，遠遠比不上大多數商業(yè)催化劑能分解數以百萬(wàn)的聚合物鏈的水平。Guan和他的同事們正在努力克服這些問(wèn)題，希望有一天他們能從每年丟棄的數百萬(wàn)噸的塑料垃圾中提取出新的價(jià)值。
聚乙烯由乙烯分子聚合而成，基本結構單元為“-C2H4-”。聚合催化劑將成千上萬(wàn)的乙烯分子連接成線(xiàn)性或具有分支的長(cháng)鏈，而不同的鏈結構會(huì )影響聚乙烯塑料的硬度、韌性和密度。在大多數情況下，所得到的聚乙烯性質(zhì)穩定不易分解。
聚乙烯變廢為寶新途徑 現有催化劑功不可沒(méi)
聚乙烯的穩定性源于一個(gè)簡(jiǎn)單的事實(shí)：原子之間由高度穩定且不易斷裂的碳碳鍵或碳氫鍵連接而成領(lǐng)導該項工作的加州大學(xué)歐文分校的化學(xué)家Zhibin Guan解釋道。為了改變這一狀況，Guan聯(lián)合中科院上海有機所的Zheng Huang等研究者對來(lái)自北卡羅來(lái)那大學(xué)教堂山分校的兩種已知的催化劑重新改造，用于研究。這種催化劑通常用于將短鏈的烷烴連接為更長(cháng)且更有價(jià)值的碳氫鏈，就像柴油中的那些長(cháng)鏈烷烴。
當兩催化劑中加入短鏈烷烴時(shí)，第一種催化劑將一個(gè)烷烴分子中氫原子與相鄰碳原子分離，新生成的化學(xué)中間體相互鍵合，相鄰的碳原子之間形成雙鍵。新生成的雙鍵較弱，使得短鏈的烷烴不再像之前那樣穩定——第二種催化劑在此處將烷烴鏈分裂!分裂后的化學(xué)中間體再相互反應，形成更短的烷烴與中等長(cháng)度的烷烴的混合物。后者通常含有10至12個(gè)碳原子——即柴油燃料的絕佳成分。
因此，Guan 和 Huang考慮，同樣的過(guò)程是否可以反過(guò)來(lái)用于分解含有大量碳原子的長(cháng)鏈聚乙烯分子呢?為了探究真相，他們將聚乙烯廢物(如垃圾袋)和短鏈烷烴混合，然后加入到這兩種催化劑中。結果與猜想一致，第一種催化劑脫去長(cháng)鏈聚乙烯分子和短鏈烷烴分子上的氫，使得相鄰碳原子形成雙鍵;第二種催化劑利用雙鍵分裂分子并且隨機地將分裂后的中間體連接起來(lái)。最終發(fā)表在Science Advances的結果是這樣的：他們持續降解長(cháng)鏈烷烴分子，直到碳鏈達到燃料和其他有價(jià)值的碳氫化合物的鏈長(cháng)度。
相關(guān)學(xué)者表示，這項工作很具有創(chuàng )新性，并且使得這些催化劑得到巧妙地應用。但同時(shí)他提醒道，這個(gè)過(guò)程仍有一些問(wèn)題需要解決，才有可能實(shí)現商業(yè)化。首先，目前催化劑需要一天或一天以上的時(shí)間才能緩慢分解聚乙烯。此外，催化劑也較為昂貴，并且在分解幾千個(gè)(算很少一部分)聚合物鏈之后催化劑就會(huì )失效分解，遠遠比不上大多數商業(yè)催化劑能分解數以百萬(wàn)的聚合物鏈的水平。Guan和他的同事們正在努力克服這些問(wèn)題，希望有一天他們能從每年丟棄的數百萬(wàn)噸的塑料垃圾中提取出新的價(jià)值。
