我们在日常生活中随处可见聚乙烯塑料，从轻便的购物袋到耐用的食品包装袋，从时尚服饰到建筑材料，它的广泛应用极大地便利了人们的生活需要。与之相随的，是一个不容忽视的问题——废旧塑料对环境的污染。
人们对一次性塑料用品的使用依赖，导致大量废弃聚乙烯塑料被丢弃在自然环境中，这些塑料废弃物难以降解，它们在污染环境的同时还威胁着野生动植物的生存，甚至通过食物链间接影响着人类的健康。长此以往，会对土壤、水源和生态系统造成不容忽视的负面影响。
那么，如何才能实现对废弃聚乙烯塑料的环保回收和循环利用呢？
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2024年4月9日，中国科学家在《自然-化学》（Nature Chemistry）杂志上发表了一篇关于循环利用聚乙烯制备高品质汽油的文章，有望实现废弃聚乙烯塑料的高效利用。
研究成果发表于《自然-化学》杂志。图片来源：《自然-化学》杂志
从聚乙烯塑料到高品质汽油的转化
废弃塑料的资源化利用，不仅可以解决环境污染问题，还能实现资源可持续发展。在废弃塑料中，聚乙烯转化难度很大，其非极性的“碳-碳键”在低温条件下很难实现活化和断裂。
目前，转化聚乙烯的主要策略是在高反应温度（400℃以上）、贵金属催化剂和外加氢源条件下实现，严格的反应条件限制了工业化回收聚乙烯的应用。
基于催化转化聚乙烯面临的问题，研究人员利用四丁基氢氧化铵（C16H37NO）作结构导向剂，采用“一步水热反应”合成具有层状自支撑结构（LSP）的分子筛进行聚乙烯的催化转化。
其中，结构导向剂在晶体合成或生长过程中，通过在化学反应中加入特定的配体或添加剂，引导分子组装形成高度结晶化的有序结构，具有理想的物理和化学性质。层状自支撑结构（LSP）由阳离子与阴离子通过离子键结合形成，具有足够的强度和稳定性，无须额外支撑就可独立存在。
介孔孔道介于微孔和大孔，孔径大小在2-50Nm之间，具有高度有序的结构和丰富的表面活性，对催化剂性能有着重要作用。层状自支撑分子筛具有更大的比表面积和丰富的介孔孔道，在催化反应中能使反应物充分接触催化剂，提高反应速率。
与传统分子筛材料相比，它具有独特的自支撑结构和更多的强路易斯酸位点。路易斯酸位点是一种化学物质，能够接受电子对特定位置（或区域），通过吸附和活化反应物实现催化作用。分子筛中的强路易斯酸位点和其具备的形状选择性，在催化聚乙烯转化时能够发挥关键作用，因此，该层状自支撑分子筛能更好的催化转化聚乙烯。
催化剂的表征（a.高分辨透射电镜图；b.X射线衍射图；c.氮气吸脱附等温图；d,e.核磁表征结果；f,g.红外表征结果）。图片来源：参考文献[1]
汽油主要由 C4-C12 范围的碳氢化合物组成，是烷烃、烯烃和环烷烃混合物。辛烷值是衡量汽油在气缸内抗爆震能力的数字指标，通常用于评价车用汽油的性能，即汽油品质的高低。
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实验结果表明，该研究制备的层状自支撑结构分子筛（LSP-Z100）在 240℃温度、无外加氢源的条件下，经过4个小时就能实现从高密度聚乙烯到汽油的转化，产率高达80%。通过检测其液相产物，C4-C12 组分占比高达99%，支链烷烃占比72%，具有较高辛烷值（88.0），可媲美商业汽油辛烷值（86.6）。
以上结果表明，层状自支撑结构分子筛（LSP-Z100）具备能将聚乙烯催化转化为高品质汽油的可行性。该研究为解决废弃聚乙烯塑料的环境污染问题，以及如何有效实现资源利用提供了新的思考路径。
高密度聚乙烯在不同催化剂条件下的转化率和产物收率。图片来源：参考文献[1]
当我们在思考废弃塑料对环境造成的污染时，从自身点滴做起，就是环保贡献的开始。
减少使用日常生活中不必要的塑料制品（比如一次性吸管、塑料袋和餐具），促进社会环保意识的提升。垃圾分类也是关键一环，将可回收塑料与其他垃圾分类处理，降低聚乙烯进入自然环境的机会，促进各类资源的循环利用。生态文明，人尽其责。
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参考文献
[1] Cen, Z., Han, X., Lin, L. et al. Upcycling of polyethylene to gasoline through a self-supplied hydrogen strategy in a layered self-pillared zeolite[J]. Nature Chemistry, 2024.
[2] 谢煜斐,王琪,曾军民,等.废弃聚乙烯塑料回收再生应用的研究进展[J].塑料科技, 2022.
[3] 张金庆,郭明,张远文,等.废聚乙烯塑料裂解制燃料的研究进展[J].石化技术, 2022.
[4] Gautam K R .A Novel Process of Converting Polyethylene to Gasoline, Middle Distillate and Heavy Oil through Hydropyrolysis Route[J].International Journal of Energy Engineering, 2013.
策划制作
出品丨科普中国
作者丨石畅 物理化学博士
监制丨中国科普博览
责编丨董娜娜
审校丨徐来 林林
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