yy.vip易游-大连理工大学《自然·通讯》：实现聚烯烃高效解聚

　　YYVIP易游·(中国有限公司)官方网站-塑料制品的广泛应用为现代社会带来巨大便利，然而其难以自然降解的特性也造成了日益严峻的全球性环境危机。预计到2050年，全球塑料年产量将达12亿吨，废弃塑料累计总量将高达250亿吨。然而，目前全球仅有不到10%的废塑料得到有效回收，尤其占全球塑料产量77%以上的聚烯烃类塑料，因其化学惰性导致的C—C键和C—H键难以断裂，传统回收方法面临能效低、产物收率不高等瓶颈，开发高效且经济可行的化学回收技术已成为亟待解决的重大课题。

　　针对这一挑战，大连理工大学蒋博副教授、唐大伟教授、张晓教授合作提出了一种创新的界面构型熵调控策略，成功开发出一种四元GaInNiSn液态合金催化剂，实现了在常压、无需消耗共反应物条件下将聚烯烃废塑料高效解聚为轻质烯烃。实验数据显示，该催化剂对聚丙烯的解聚表现出181.5 mmol g⁻¹ h⁻¹的空时收率，轻质烯烃选择性达到79.7%。研究团队进一步构建了光伏驱动的户外解聚系统，在超过120小时的连续运行中保持了52.8 L h⁻¹的轻质烯烃产出率，为废塑料的资源化利用提供了可持续的创新解决方案。相关论文以“Interfacial configurational entropy tuning strategy enabling liquid alloys for efficient depolymerization of polyolefin waste”为题，发表在

　　图1 废弃塑料闭环回收策略示意图。 典型商业塑料产品进入废物流的示意图，提出的户外光伏驱动塑料废物解聚系统，以及通过感应加热驱动的GaInNiSn中熵液态合金催化剂将塑料废物解聚为轻质烯烃的潜在机制。

　　研究团队通过“一锅法”成功合成了GaInNiSn中熵液态合金催化剂。高角度环形暗场扫描透射电镜分析显示，该催化剂在室温下保持均匀的液相状态，未观察到金属或金属氧化物纳米颗粒。能谱面扫描结果表明，活性金属Ni和调控金属Sn均匀分布在Ga溶剂基体中（图2a）。原位X射线光电子能谱分析发现，Sn的引入显著促进了Ni原子在合金表面的富集，而单纯的GaInNi合金则未检测到明显的Ni 2p信号（图2b）。构型熵计算表明，该四元合金的界面构型熵达到9.62 J·mol⁻¹·K⁻¹（1.16R），处于中熵范围（1.0R-1.5R），显著高于二元或三元低熵液态合金（图2c）。

　　X射线吸收精细结构谱学分析进一步揭示了催化剂的电子结构与配位环境。Ni K-edge XANES谱显示，GaInNiSn合金相较于Ni箔出现明显的负向吸收边位移，而GaInNi合金则变化微弱，证实Sn的引入导致Ni原子上发生显著的电子积累（图2d）。Sn K-edge XANES谱表明，GaInNiSn中Sn的吸收边位于Sn箔和SnO₂之间，呈现部分正电荷状态（Snδ⁺）（图2e）。这些小波变换分析结果显示，GaInNiSn中Ni-Ga峰的信号与GaInNi相似，但明显区别于Ni箔中的Ni-Ni键（图2h,i），证实Ni物种在合金中呈现原子级分散状态。通过多种散射模型拟合，确认了第一配位壳层中存在Sn-Ni散射路径，为Ni-Sn相互作用提供了直接证据（图2f,g）。

　　图2 GaInNiSn中熵液态合金催化剂的表征。 a GaInNiSn中熵液态合金催化剂的高角度环形暗场扫描透射电子显微镜图像和相应的能谱X射线光谱映射。b GaInNi低熵液态合金催化剂和GaInNiSn中熵液态合金催化剂的原位X射线光电子能谱。c 本工作与既往文献中液态合金的Sif-config比较。d GaInNiSn中熵液态合金催化剂和参考样品的Ni K-edge X射线吸收近边结构谱。插图为Ni K-edge X射线吸收近边结构谱的局部放大。e GaInNiSn中熵液态合金催化剂和参考样品的Sn K-edge X射线吸收近边结构谱。插图为Sn K-edge X射线吸收近边结构谱的局部放大。f GaInNiSn中熵液态合金催化剂和参考样品的FT k²加权扩展X射线吸收精细结构谱。g GaInNiSn中熵液态合金催化剂Sn K-edge FT-扩展X射线吸收精细结构谱的第一壳层和第二壳层拟合。h,i GaInNiSn中熵液态合金催化剂的k²加权扩展X射线吸收精细结构信号的小波变换。

　　在催化性能评估中，GaInNiSn中熵液态合金展现出优异的解聚性能。与三元液态合金催化剂相比，虽然四元合金的构型熵提升幅度不大，但轻质烯烃的空时收率平均提高了75.4%（图3a）。在500°C反应温度下，GaInNiSn对聚丙烯解聚的轻质烯烃选择性达79.7%，空时收率达181.5 mmol g⁻¹ h⁻¹，较GaIn低熵合金分别提升150%和200%，塑料转化率达96.0%。与现有先进技术相比，GaInNiSn在常压下的轻质烯烃空时收率已达到高压条件下CIE工艺的三倍（图3b）。该策略对各类纯聚烯烃及其混合物均表现出良好适用性，低密度聚乙烯、高密度聚乙烯、聚苯乙烯、聚烯烃弹性体、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物等均可有效解聚为轻质烯烃（图3c）。更令人瞩目的是，对于未经任何预处理的实际废弃塑料制品（如食品包装袋、外卖餐盒、奶瓶、牙膏管等），催化剂仍能获得70.7%-84.3%的轻质烯烃选择性（图3d），展示了优异的抗杂质干扰能力和实际应用潜力。

　　图3 GaInNiSn中熵液态合金催化剂的解聚性能。 a 三元和四元液态合金催化剂的解聚性能比较（所有活性金属均为Ni）。虚线表示三元液态合金催化剂的平均时空产率（103.45 mmol g_cat⁻¹ h⁻¹）。反应条件：1.00 g聚丙烯塑料，1.95 g不同液态合金催化剂，N₂进气流速4 mL min⁻¹，500°C反应3分钟。b 不同解聚和回收技术的性能比较，包括塑料转化率、轻质烯烃选择性以及轻质烯烃的时空产率。c 不同聚烯烃塑料解聚过程中的轻质烯烃时空产率和气态产物选择性。反应条件：1.00 g反应物，1.95 g GaInNiSn中熵液态合金催化剂，N₂进气流速4 mL min⁻¹，500°C反应3分钟。PP+LDPE、PP+HDPE、PP+PS、PP+POE和PP+SBS分别表示PP与相应聚合物的等质量比二元混合物。混合表示这六种反应物的等质量比混合物。d 真实世界塑料废物解聚过程中的轻质烯烃时空产率和气态产物选择性。反应条件：1.00 g反应物，1.95 g GaInNiSn中熵液态合金催化剂，N₂进气流速4 mL min⁻¹，500°C反应3分钟。混合表示这九种反应物的等质量比混合物。

　　热重-红外-质谱联用分析揭示了性能提升的微观机制。GaInNiSn催化剂在较低温度下即出现=C—H特征峰，表明界面富集的Niδ⁻-Snδ⁺位点促进了C—H键活化（图4a,b）。在360-400°C区间，GaInNiSn的C=C—H和C=C键峰面积分别是GaInNi的2.6倍和2.3倍（图4c），证实了Niδ⁻-Snδ⁺位点对碳正离子β-断裂反应的促进作用。在线质谱分析显示，GaInNiSn催化解聚过程中轻质烯烃和烷烃同时生成（图4d,e），进一步印证了β-断裂反应路径的主导地位。基于此，研究团队提出了碳正离子机制的反应路径：界面富集的Niδ⁻-Snδ⁺活性位点首先活化C—H键，形成碳正离子中间体，随后发生β-断裂生成轻质烯烃（图4f）。

　　图4 聚烯烃解聚的机理分析。 a GaInNi低熵液态合金催化剂和b GaInNiSn中熵液态合金催化剂在聚丙烯催化解聚过程中的傅里叶变换红外光谱。c 催化解聚过程中C=C和C=H键峰面积的半定量谱图。d GaInNi低熵液态合金催化剂和e GaInNiSn中熵液态合金催化剂上聚丙烯催化解聚过程中气态烃的在线质谱图（图中数值表示起始温度）。f 基于碳正离子机制的反应路径：基本反应序列包括(i) Niδ⁻–Snδ+活性位点的界面富集；(ii) Niδ⁻位点激活C-H键；(iii) 碳正离子中间体形成；(iv) β-断裂；(v) 烯烃和碳正离子生成；(vi) 碳正离子通过氢转移转化为烷烃。

　　为验证该技术的规模化应用前景，研究团队在辽宁省大连市搭建了户外光伏驱动解聚系统。该系统由四块总辐照面积10.3 m²的光伏板（组件效率24%）、电磁感应加热装置（运行功率380 Wh）、真空热管反应器和四组总容量9.6 kWh的蓄电池组成（图5a）。系统以2.92 g min⁻¹的进料速率连续处理实际混合废塑料，在2025年7月6日至20日（每日8:30-16:30）的120小时连续运行中，尽管光伏输出存在波动，但通过蓄电池缓冲保证了反应器稳定供能（图5b）。运行数据显示，轻质烯烃产出率稳定在52.8 L h⁻¹，选择性达71.5%，累计产出轻质烯烃6337 L，系统能耗为3.8 kWh kg⁻¹轻质烯烃（图5c）。与其他解聚技术相比，该系统在产出率和运行稳定性方面均展现出显著优势（图5d）。对反应后回收的催化剂进行表征发现，其表面形貌、元素组成和电子结构与新鲜催化剂相比无明显变化，催化性能保持稳定，证实了催化剂良好的可回收性和重复使用性。

　　图5 户外光伏驱动解聚系统。 a 利用太阳能连续运行的户外系统图像及其演示配置。b 真实世界塑料废物闭环回收的技术路线示意图。c 使用该户外系统连续运行120小时（2025年7月6日至20日，每日8:30至16:30）期间的轻质烯烃产率和选择性。反应条件：真实世界塑料废物碎片通过连续进料装置以2.92 g min⁻¹的进料速率送入反应器，11.69 g GaInNiSn中熵液态合金催化剂，N₂进气流速4 mL min⁻¹，500°C反应120小时。d 不同回收技术的性能比较，包括操作稳定性和轻质烯烃产率。

　　本研究通过界面构型熵调控策略成功开发了GaInNiSn中熵液态合金催化剂，实现了将实际废弃聚烯烃塑料高效解聚为轻质烯烃。该策略不仅为废塑料的资源化利用提供了高效可持续的技术路径，也为推动循环经济发展、实现净零碳排放目标提供了新的思路。随着技术的进一步发展和规模化应用，有望为解决全球塑料污染问题贡献重要力量。