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无催化剂的微滴介导废塑料转化为二酸

Nature2026年7月15日 00:00

全球塑料废物在2019年达到了3.53亿吨,其中近一半被填埋。如果当前趋势持续,到2050年,可能有多达120亿吨的废物会在填埋场中积累或渗入环境。随着对环境和健康问题的关注,与聚烯烃的不完全降解相关的高达60%的塑料生产,迫切需要有效的聚烯烃废物的增值回收方法。为了实现这一目标,已经开发了一些催化策略,如催化裂化、氢解、串联氢解芳香化、脱氢-反交替、低温串联芳香化和氧化升值。然而,各种添加剂和污染物的积累不可避免地导致催化剂失活,而焦炭形成、高能耗和复杂的下游处理使这些方法在复杂现实废物中的应用受到限制,从而限制了工业规模的实施。无催化剂的热裂化是一种成熟的途径,通过无催化剂、快速、连续的处理产生轻质烯烃(例如乙烯、丙烯和丁烯)。然而,高温自由基化学限制了反应控制,并且往往导致不稳定的产品分布、焦炭形成、反应器污垢和高能耗。因此,开发一种无催化剂、可持续的方法将塑料废物转化为更有价值的化学品是非常可取的。微滴最近因其独特的界面特性而成为独特的化学反应器。在微滴界面上的强电场(约10^9 V m^−1)可以诱导氢氧根离子(OH−)的电子抽取,导致羟基自由基(•OH)和溶剂化电子的形成。这些高反应性物质使得在无需共溶剂(超出水)的情况下,对像甲苯和苯乙烯等小有机分子的无催化氧化成为可能。界面特性也驱动了从CO2和氨自发生成尿素的反应。然而,目前的应用仍然局限于微观(毫摩尔)过程,阻碍了工业转化。受到这些考虑的启发,我们提出了一种无催化剂的氧化策略,将包括聚烯烃、橡胶和混合塑料在内的多种聚合物废物转化为增值有机酸,仅需在温和条件下使用水和O2。熔融聚合物的疏水性、长链特性用于在搅拌中生成动态水-油界面微滴,在氧化过程中,自发产生羟基自由基。连续的原位•OH生成使得能够高效进行碳-氢和碳-碳键的断裂,适应商业添加剂和异质废物流,为塑料的增值回收提供了一条可扩展和低成本的途径。使用化学惰性的聚乙烯作为模型基底,我们的系统达到了竞争性降解效率,主要将聚乙烯转化为C4-C8二酸。该策略扩展到多种聚烯烃,并在消费后橡胶轮胎的情况下规模化到300克批量。

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