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目前，全球塑料產(chǎn)量已超過90億噸，其中超過70億噸被遺棄或填埋，成為混雜廢棄物，對生態(tài)系統(tǒng)造成了嚴重危害。廢棄塑料的回收不僅對環(huán)境修復(fù)至關(guān)重要，還對新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展具有重大意義。然而，現(xiàn)有技術(shù)難以直接回收污染嚴重的混雜廢塑料，通常需要進行分揀、清洗等預(yù)處理，而這些預(yù)處理過程往往面臨高成本、長周期、高能耗等一系列問題，且通常會導(dǎo)致低質(zhì)量的聚合物。與傳統(tǒng)回收方式相比，廢棄塑料的升級再造為其管理和增值利用帶來了新的希望。然而，現(xiàn)有的升級再造方法仍存在高能耗、使用貴金屬催化劑、高壓（2-6MPa）以及催化劑穩(wěn)定性差（通常≤5輪循環(huán)）等問題，尤其是在處理高雜質(zhì)含量的填埋混雜廢塑料時，尚未能夠?qū)崿F(xiàn)直接升級回收。因此，如何在經(jīng)濟、低能耗的條件下高效地利用未經(jīng)分離處理的混雜廢塑料，已成為解決全球白色污染的關(guān)鍵難題，且引起了科學(xué)界的廣泛關(guān)注。

微波輔助催化技術(shù)在介觀尺度和分子層面上，通過誘導(dǎo)催化劑“選擇性”生熱，能夠有效提高催化中心的溫度并突破反應(yīng)平衡轉(zhuǎn)化率，從而在溫和的反應(yīng)條件下促進聚烯烴廢塑料的解聚反應(yīng)。微波的“選擇性”加熱優(yōu)勢顯著增強了催化劑的活化效率，強化了界面催化反應(yīng)過程，使得聚烯烴廢塑料能夠在較低能耗的條件下選擇性地轉(zhuǎn)化為高附加值的化學(xué)品。馬望京、肖天存和唐軍旺院士團隊在過去幾年里，利用微波輔助催化策略來調(diào)控催化中心溫度、界面催化效率和反應(yīng)動力學(xué)，實現(xiàn)了微波選擇性催化，將聚烯烴、聚酯廢塑料轉(zhuǎn)化為氫氣和碳納米管(Nat Catal 3, 902–912 (2020), Chem. Eng. J, 483, 149270 (2024))、單體(CCS Chem, 5, 2818–2831 (2023))和液體油(Adv. Mater, 37, 2412539 (2025), Energy Convers. Manag, 312, 118571(2024))等附加值化學(xué)品。

理化所馬望京、牛津大學(xué)肖天存和清華大學(xué)唐軍旺院士等人合作，另辟蹊徑，從原子簇-氧化物的獨特協(xié)同催化效應(yīng)出發(fā)，耦合微波外場，首次實現(xiàn)了微波協(xié)同經(jīng)濟Zn/b-ZnO強化填埋場受污染混雜廢塑料向“增值”烯烴單體和基礎(chǔ)潤滑油前驅(qū)體化學(xué)品的選擇性催化轉(zhuǎn)化。Zn/b-ZnO是經(jīng)過初始b-ZnO原位反應(yīng)重構(gòu)獲得的，得益于Zn原子簇優(yōu)異的化學(xué)鍵活化能力、原子簇金屬位點的增強電場以及鋅團簇/氧化鋅的協(xié)同催化效應(yīng)。在微波輔助下，聚烯烴廢塑料被Zn/b-ZnO高效活化，形成金屬-烷基活性自由基中間體，促進骨架C-C的選擇性斷裂。同時，催化劑的高溫狀態(tài)和微波輻照的高頻間歇性，促進了產(chǎn)物的快速脫附，抑制了競爭副反應(yīng)發(fā)生的概率。最終，在280 °C、常壓和低能耗（是傳統(tǒng)熱催化能耗的1/8）的溫和條件下成功實現(xiàn)了混雜廢塑料向烯烴單體和基礎(chǔ)潤滑油前驅(qū)體的 “選擇性” 轉(zhuǎn)化，催化性能優(yōu)于多數(shù)貴金屬催化劑。

圖 1. LDPE （從垃圾填埋場挖出）微波催化解聚的連續(xù)循環(huán)

在微波輻照作用下，重構(gòu)得到的Zn/b-ZnO復(fù)合催化劑能夠高效且穩(wěn)定地將來自垃圾填埋場的農(nóng)用地膜轉(zhuǎn)化為以烯烴單體為主的氣體和以基礎(chǔ)潤滑油為主的油品。與其他常見的塑料解聚催化劑相比，在280 °C和常壓條件下，Zn/b-ZnO催化劑的每小時每克催化劑產(chǎn)油率高達6（g g-1 cat h^-1），表現(xiàn)出比多數(shù)催化劑，甚至是貴金屬催化劑更為優(yōu)異的催化活性。這一成果展示了一種高效且節(jié)能的塑料廢棄物升級回收新方法，具有重要的應(yīng)用前景和實際意義。

圖 2. PP 和混雜廢塑料（從垃圾填埋場挖出）的微波催化解聚

即便是來自垃圾填埋場的混雜廢塑料，Zn/b-ZnO復(fù)合催化劑依然能夠高效地將其轉(zhuǎn)化為以烯烴單體為主的氣體和以基礎(chǔ)潤滑油為主的油品。研究表明，初始的b-ZnO催化劑在催化過程中經(jīng)歷了前五輪催化循環(huán)的原位激活，逐步轉(zhuǎn)化為具有更高活性和選擇性的Zn/b-ZnO復(fù)合催化劑，從而提高了附加值基礎(chǔ)潤滑油前驅(qū)體的產(chǎn)率。經(jīng)過激活后的Zn/b-ZnO復(fù)合催化劑展現(xiàn)出極好的穩(wěn)定性，在未經(jīng)過任何處理的情況下，催化劑可被重復(fù)使用超過50次，實現(xiàn)了250 g_plastic g-1 catalyst的高塑料解聚周轉(zhuǎn)數(shù)。這一結(jié)果表明，該催化劑在塑料回收與轉(zhuǎn)化過程中具有顯著的應(yīng)用潛力。

圖 3. 微波催化升級回收結(jié)果和工藝能量效率

深入分析油品產(chǎn)物后發(fā)現(xiàn)，基礎(chǔ)潤滑油前驅(qū)體是主要成分，占油產(chǎn)品的60%-85%，具有顯著的附加值。與傳統(tǒng)熱催化技術(shù)相比，微波輔助催化在溫和反應(yīng)條件（280 °C）和低能耗下表現(xiàn)出優(yōu)異的催化效果，其能耗僅為傳統(tǒng)熱催化技術(shù)的1/8。這一結(jié)果充分證明了微波輔助催化在塑料升級再造中的高效性與節(jié)能優(yōu)勢，展現(xiàn)了一種具有廣闊應(yīng)用前景的可持續(xù)回收方法。

圖 4.塑性解聚不同循環(huán)后所用 b-ZnO 催化劑的特性

通過對不同循環(huán)次數(shù)后b-ZnO催化劑進行全面分析與表征，發(fā)現(xiàn)初始表面光滑的棒狀結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椴紳M刻蝕孔洞的形態(tài)，同時暴露出大量Zn團簇。這表明，b-ZnO催化劑在反應(yīng)過程中經(jīng)歷了原位結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化。結(jié)合XRD、XAS、XPS、TGA和H₂-TPR等多種表征手段，進一步揭示了在塑料解聚過程中產(chǎn)生的少量氫作為還原介質(zhì)，吸附在b-ZnO表面，進而誘導(dǎo)Zn-O鍵的斷裂，形成低配位的Zn團簇，從而實現(xiàn)了b-ZnO催化劑的原位轉(zhuǎn)化，最終形成了高活性且穩(wěn)定的Zn/b-ZnO復(fù)合催化劑。

圖 5. 提出的反應(yīng)途徑

機理研究表明，b-ZnO催化劑通過激活C-H鍵，形成Zn-烷基復(fù)合物，隨后經(jīng)歷β-烷基消除、氫轉(zhuǎn)移和氫消除等反應(yīng)過程斷裂C-C鍵，生成小分子化合物，并釋放Zn和H₂O。其中，Zn在塑料解聚過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，它通過C-H鍵活化形成Zn-烷基復(fù)合物，并通過β-烷基消除反應(yīng)誘導(dǎo)C-C鍵的斷裂。此外，微波和催化劑之間的選擇性相互作用顯著提升了催化界面的反應(yīng)效率和產(chǎn)物脫附速率。最終，Zn和b-ZnO通過協(xié)同催化作用，有效促進了聚烯烴塑料的選擇性解聚反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為具有較高附加值的烯烴單體和基礎(chǔ)潤滑油前驅(qū)體。

通過近5年的不懈努力和探索，該團隊實現(xiàn)了利用微波和催化劑的選擇性相互作用，提升了催化中心溫度和打破了塑料解聚熱力學(xué)、動力學(xué)限制，通過微波輔助催化高效、選擇性地將混雜廢塑料一步催化轉(zhuǎn)化為烯烴單體和基礎(chǔ)潤滑油前驅(qū)體。催化劑和解聚產(chǎn)物的深入分析發(fā)現(xiàn)，原位重構(gòu)獲得的Zn/b-ZnO具有優(yōu)異的協(xié)同催化效益。Zn和b-ZnO協(xié)同提升了塑料中C-H鍵的活化效率，加速Zn-烷基復(fù)合物的形成和β-烷基消除反應(yīng)。而形成的Zn團簇增強了金屬位點的電磁強度，形成局域“熱點”或“微等離子體”，提供充足的能量來打破C-C鍵并促進產(chǎn)物從催化上快速解吸。因此，顯著提高了烯烴單體和基礎(chǔ)潤滑油前驅(qū)體的選擇性和產(chǎn)量。因此，本工作提供了一種溫和、低耗、穩(wěn)健的填埋場受污染廢塑料的高效、選擇性“增值”利用策略，為經(jīng)濟、低能耗的化學(xué)回收和升級利用混雜廢塑料以及傳統(tǒng)意義上難以回收的其它高分子如農(nóng)林生物質(zhì)，纖維等提供了新思路。有望推動混雜塑料廢棄物循環(huán)利用和“減碳降廢”，有望建立城市分類垃圾、填埋場廢塑料和難處理的多元復(fù)合材料的直接回收利用。同時，微波技術(shù)的電氣化過程有望實現(xiàn)極端條件下（如海洋、熱帶、冰川）的移動作業(yè)回收，具有重大的經(jīng)濟和社會效益。

趙俊，2024年7月在中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所獲得博士學(xué)位，目前為中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所特別研究助理，主要從事廢塑料、生物質(zhì)、廢舊鋰離子電池等固體廢棄物的化學(xué)回收和增值利用。以第一/通訊作者身份在Nat. Commun., Adv. Mater., Chem. Eng. J., Energy Convers. Manage., Green Chem.等期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文8余篇，申請國家發(fā)明專利10余項，撰寫英文專著章節(jié)1項。獲得中國科學(xué)院大學(xué)三好學(xué)生、第四屆微波能化工應(yīng)用會議青年科學(xué)家、第十二屆澳門國際發(fā)明展金獎等。

劉博男，中國石油大學(xué)（北京）能源與催化工程系副教授，重質(zhì)油全國重點實驗室成員，以高校教師和企業(yè)專家的身份，長期致力于金屬/金屬氧化物/金屬硫化物工業(yè)催化劑/凈化劑的設(shè)計、研發(fā)、應(yīng)用和失活研究，以及金屬材料的吸波性能和微波場中的催化表現(xiàn)。研究相關(guān)成果涵蓋了煤炭、石油和天然氣等多個能源化工領(lǐng)域，用于工業(yè)加氫脫硫、脫硝，二氧化碳中和，以及廢舊塑料、生物質(zhì)降解利用等領(lǐng)域。在Nat. Commun., Chem. Sci., J. Eng. Chem., Chem. Eng. J., Green. Chem., 工業(yè)催化，化學(xué)工程等國內(nèi)外知名化學(xué)、化工期刊發(fā)表論文19余篇，授權(quán)中國發(fā)明專利11項，獲得中國石油和化學(xué)工業(yè)聯(lián)合會科技進步二等獎2項。

馬望京，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究員，近5年主要圍繞綠色化學(xué)化工，致力于采用熱催化或微波驅(qū)動熱催化開展煤化工或石油化工副產(chǎn)品的高值化清潔利用，廢棄塑料化學(xué)回收及其工業(yè)廢鹽資源化利用等應(yīng)用研究，開發(fā)出高效的烯烴異構(gòu)化催化劑，完成噸/釜烯烴異構(gòu)中試并建成國內(nèi)首臺年產(chǎn)300噸的烯烴異構(gòu)化反應(yīng)裝置。在Nat. Commun., Adv. Mater., Adv. Sci.，Chem. Eng. J., Energy Convers. Manage.等化學(xué)、化工期刊發(fā)表論文82篇，封面1篇，撰寫出版4部（章）英文專著，授權(quán)中國發(fā)明專利24項，PCT專利1項，獲得中國發(fā)明協(xié)會一等獎、北京發(fā)明創(chuàng)新大賽金獎、北京發(fā)明創(chuàng)新大工匠獎、第21屆和22屆中國高交會優(yōu)秀產(chǎn)品獎、中國科學(xué)院概念驗證創(chuàng)新大賽二等獎和第12屆澳門國際發(fā)明展金獎等各類獎勵13項。

肖天存，1987年獲西北大學(xué)理學(xué)學(xué)士學(xué)位、1990年獲中科院蘭州化物所碩士學(xué)位，1993年獲中科院蘭州化物所博士學(xué)位，現(xiàn)為牛津大學(xué)高級研究員和OXCCU科技公司首席技術(shù)總監(jiān)，董事和founder，曾任牛津大學(xué)清潔能源研究中心技術(shù)負責(zé)人，Wolfson催化中心主任、牛津催化公司（倫敦證券市場上市）創(chuàng)始人及技術(shù)總監(jiān)，入選國家人才計劃。研究領(lǐng)域涉及環(huán)保新材料、清潔煤技術(shù)、低溫和高溫制氫、清潔工藝、燃料電池、石油加工和環(huán)保技術(shù)等清潔能源和環(huán)境保護領(lǐng)域。最近幾年主要從事二氧化碳加氫一步法合成航空煤油，廢舊塑料制氫氣和潤滑油基礎(chǔ)油等研究與開發(fā)。在國內(nèi)外核心刊物上發(fā)表文章300多篇，擁有40多項國際專利，有工業(yè)化催化劑10余個。

Tang Junwang (唐軍旺)教授，歐洲科學(xué)院院士（The Academia of Europaea）, 英國科學(xué)院-利弗休姆資深研究員,比利時歐洲科學(xué)院院士（European Academy of Sciences），英國皇家化學(xué)會會士, 國際材料和礦物協(xié)會會士和中國化學(xué)會名譽會士。曾任倫敦大學(xué)學(xué)院大學(xué)材料中心主任，化學(xué)工程系材料化學(xué)和材料工程主席教授，中國國家高層次人才，教育部長江講座教授，全英華人正教授協(xié)會副主席等。目前是清華大學(xué)首任碳中和講席教授，清華大學(xué)化工系工業(yè)催化中心主任。同時是倫敦大學(xué)學(xué)院客座教授，歐美同學(xué)會15名海外理事之一。Tang教授開創(chuàng)性的耦合光催化和熱催化來活化小分子（H₂O，N₂、CH₄，CO₂），實現(xiàn)可再生能源的轉(zhuǎn)化和存儲為氫能，綠氨和綠醇，以及微波催化來循環(huán)固廢塑料。同時致力于用時間分辨光譜研究光和熱耦合催化的機理。是5個國際雜志的編輯或者副主編，包括Applied Catalysis B，Chin J. Catal.， EES Solar。獲得10多個國際大獎。