全球每年生產3.8億噸塑料。隨著塑料市場的持續增長，許多分析人士預測，到2050年，塑料產量可能會翻兩番。超過75%的塑料材料在一次使用後被丟棄。它們中的許多最終進入我們的海洋和水道，傷害野生動物並傳播毒素。
雖然塑料可以熔化和再加工，但這種回收產生的價值較低的材料在結構強度上不如原始材料。例如，將塑料瓶向下循環放入一個模壓的公園長凳。
當塑料被丟棄在野外或垃圾填埋場時，它們不會降解，因為它們有很強的碳-碳鍵。相反，它們會分解成更小的塑料，即微塑料。儘管有些人認為這種緊密的聯繫是一個問題，但西北大學、阿貢國家實驗室和艾姆斯實驗室團隊卻把這看作是一個機會。
【成果簡介】
近日，來自西北大學、阿貢國家實驗室和埃姆斯實驗室的研究團隊，已經開發出一種新方法，可以將大量看似低價值的塑料升級為高質量的液體產品，比如機油、潤滑油、洗滌劑甚至化妝品。這一發現還改進了現有的回收方法，從而生產出廉價、低質量的塑料產品。該研究成果以題為“Upcycling Single-Use Polyethylene into High-Quality Liquid Products”的論文發表在國際頂級期刊ACS Central Science上
在本研究中，高能量聚乙烯(PE)大分子通過原子層沉積在SrTiO3鈣鈦礦納米晶上的分散良好的Pt納米顆粒(NPs)催化氫化反應轉化為增值產品。該催化劑由兩納米大小的鉑納米顆粒組成，沉積在大約50-60納米大小的鈣鈦礦納米晶上。該團隊選擇鈣鈦礦是因為它在高溫高壓下很穩定，是一種非常好的能量轉換材料。為了將納米顆粒沉積在納米管上，研究小組使用了原子層沉積技術，這種技術是在Argonne開發的，可以精確控制納米顆粒。
圖1 鉑納米粒子分佈在鈣鈦礦納米管上的電子顯微照片
在適當的壓力和溫度下，催化劑裂解塑料的碳碳鍵，產生高質量的液態碳氫化合物。在170 psi H2和300℃在無溶劑條件下反應時間96 h，Pt/SrTiO3完全轉換PE (Mn = 8000-158000 Da)或一次性塑料袋(Mn = 31000 Da)到高質量的液體產品，如潤滑劑和蠟，以窄分佈低聚物的鏈。
圖2 鉑納米顆粒/鈣鈦礦納米長石的催化劑將廢棄塑料轉化為更高價值的產品
圖3 聚乙烯氫解制備優質液體產品
固體核磁共振13C富集PE吸附研究和密度泛函理論計算表明，PE在Pt上的吸附比在SrTiO3載體上的吸附更為有利。較小的Pt NPs與較高濃度的未配位Pt位點，將PE過氫水解成不需要的輕烴。
圖3 固體核磁共振13C富集PE吸附研究和密度泛函理論計算
本文開發的催化法這項新技術，在生產過程中產生的廢物少得多，並且液體產物可用於機油、潤滑油或蠟，或進一步加工製成洗滌劑和化妝品的成分。這與市面上可買到的催化劑形成了對比，後者生成的產品質量較低，而許多是短烴，這限制了產品的用途。本文的方法既可通過消除環境中的塑料汙染又可促進循環經濟，起到了一舉兩得的作用。
西北大學的Kenneth R. Poeppelmeier參與了這項研究，他說:“我們的團隊很高興發現這項新技術，它將幫助我們解決塑料垃圾堆積的問題。”“我們的發現對未來的發展有廣泛的影響，我們可以繼續受益於塑料材料，但要以一種可持續的、對環境和人類健康危害更小的方式。”
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