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化學(xué)與分子工程學(xué)院教授趙晨及其團(tuán)隊(duì)

華東師范大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院教授趙晨團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一種在無氫條件下，一鍋法將聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）定量轉(zhuǎn)化為對二甲苯（PX）和乙二醇（EG）的低成本工藝。利用這一工藝體系，該團(tuán)隊(duì)對普吉島海灘沉積物的塑料轉(zhuǎn)化潛力進(jìn)行了預(yù)測。

該工藝使用甲醇作為解聚與供氫溶劑，改性非貴金屬Cu/SiO2為催化劑，集合PET醇解、甲醇脫氫與DMT選擇性加氫脫氧過程為一體，實(shí)現(xiàn)了廢棄聚酯塑料直接轉(zhuǎn)化為汽油燃料和防凍液成分。

圖1. PET催化轉(zhuǎn)化應(yīng)用于普吉島海灘沉積物

團(tuán)隊(duì)對島上常見可口可樂瓶、麥當(dāng)勞飲料蓋、一次性餐盒、包裝袋以及滌綸布料等不同來源的 PET 塑料進(jìn)行催化轉(zhuǎn)化，得出每噸塑料沉積物含331 kg PET，在最佳條件下可通過該體系得到181?kg的汽油添加物（對二甲苯）和105?kg的防凍液（乙二醇）作為島上汽車的能源儲備。

圖2. PET廢料的解聚和轉(zhuǎn)化策略

高效率轉(zhuǎn)化塑料的催化劑歸因于在傳統(tǒng)水熱合成Cu/SiO₂的過程中添加適量的NaCl，Na⁺占據(jù)SiO₂表面的部分硅羥基，從而抑制了層狀硅酸銅的成核和生長。溶液中的Cu²⁺只能與SiO₂表面剩余的硅羥基結(jié)合形成分散、孤立的硅酸銅顆粒。其結(jié)構(gòu)致密，表面積小，結(jié)晶度差，且較難還原。

故經(jīng)還原處理得到的CuNa/SiO₂具有高Cu⁺/Cu⁰比，為甲醇脫氫以及DMT選擇性加氫提供了豐富的活性位點(diǎn)。

圖3.   CuNa/SiO2催化劑表征

圖4. 水熱合成過程中引入不同量NaCl的Cu/SiO2催化劑形成機(jī)理

通過使用比例最佳的CuNa/SiO2對DMT和中間體的反應(yīng)路徑進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究，發(fā)現(xiàn)從DMT到目標(biāo)產(chǎn)物PX歷經(jīng)四個(gè)步驟：

(1) DMT單側(cè)酯基吸附在CuNa/SiO2催化劑上加氫至羥基，得到中間體B；(2) B的羥基氫解至甲基，脫附生成中間體C；(3) C的單側(cè)酯基吸附在CuNa/SiO2催化劑上加氫至羥基，得到中間體D；(4) D的羥基氫解至甲基，脫附得到目標(biāo)產(chǎn)物PX。該路徑通過原位紅外研究再次得到證實(shí)，其結(jié)果與動(dòng)力學(xué)研究結(jié)果高度吻合。

圖5. DMT單體在甲醇中轉(zhuǎn)化為PX反應(yīng)路徑探究

該研究于6月10日在《自然-通訊》(Nature Communications)發(fā)表。華東師大化學(xué)與分子工程學(xué)院碩士研究生高志文為本文的第一作者，馬冰博士、趙晨教授為共同通訊作者。該工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等項(xiàng)目資助。

這項(xiàng)研究為海洋塑料問題的解決提供了可行的方案，尤其是對資源匱乏且被塑料堆積問題所困擾的海島提供了一種可行的處理塑料工藝。無需外部氫氣，使用一鍋法即可將廢棄物轉(zhuǎn)化海島上能源儲備。在最大化節(jié)約成本、節(jié)省能源的情況下創(chuàng)造高附加值產(chǎn)品，為廢棄塑料提供了一個(gè)綠色高效且能創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益的降解新技術(shù)。