加州大學柏克萊分校開發的一種催化製程能有效地將最常見的塑膠廢料–聚乙烯和聚丙烯–轉化為基本的碳氫化合物單體。這項創新採用固體催化劑，具有更高的效率和潛在的可擴展性，可實現塑膠材料的再利用，從而減少新塑膠生產對化石燃料的依賴，並促進循環經濟的發展。

加州大學柏克萊分校開發的催化製程對兩種主要的消費後塑膠廢棄物同樣有效：聚乙烯（大多數一次性塑膠袋的成分）和聚丙烯（硬塑膠的成分，從微波爐盤子到行李箱）。它還能有效降解這些類型的混合塑膠。

這項製程如果得到推廣，將有助於實現許多廢棄塑膠的循環經濟，將塑膠廢料重新轉化為用於製造聚合物的單體，從而減少用於製造新塑膠的化石燃料。

在1980 年代，由聚酯類聚四氟乙酸乙二醇酯（PET）製成的透明塑膠水瓶就是以這種方式設計回收的。但與被稱為聚烯烴的聚乙烯和聚丙烯塑膠相比，聚酯塑膠的用量微乎其微。

領導這項研究的加州大學柏克萊分校化學教授約翰-哈特維格（John Hartwig）說：”我們的日常用品中含有大量的聚乙烯和聚丙烯，從午餐袋到洗衣皂瓶再到牛奶瓶- -我們身邊的東西很多都是由這些聚烯烴製成的。 。

哈特維格、研究生理查德-J-“RJ”-康克（Richard J.”RJ”Conk）、化學工程師亞歷克西斯-貝爾（Alexis Bell，加州大學柏克萊分校研究生院教授）及其同事於8 月29 日在《科學》雜誌上發表了催化過程的細節。

聚乙烯和聚丙烯塑膠約佔全球消費後塑膠垃圾的三分之二。約有80% 的塑膠最終被填埋、焚燒或直接扔到大街上，通常在溪流和海洋中形成微塑膠。其餘的則作為低價值塑膠回收，成為裝飾材料、花盆和叉子。

為了減少這種浪費，研究人員一直在尋找將塑膠轉化為更有價值的東西的方法，例如聚合生產新塑膠的單體。這將創造塑膠的循環聚合物經濟，減少用石油製造新塑膠的需要，因為石油會產生溫室氣體。

兩年前，哈特維格和他的加州大學柏克萊分校團隊提出了一種將聚乙烯塑膠袋分解成單體丙烯（也稱為丙烯）的工藝，可以重新用於製造聚丙烯塑膠.這個化學過程採用了三種不同的客製化重金屬催化劑：一種催化劑在聚乙烯聚合物中加入碳碳雙鍵，另外兩種催化劑在雙鍵處斷開鏈條，反覆剪切一個碳原子，與乙烯一起生成丙烯（C3H6）分子，直到聚合物消失。但催化劑溶解在液體反應中，壽命很短，因此很難以活性形式回收。

研究生RJ Conk 在調整反應室，在反應室中，混合塑膠被降解為可重複使用的新聚合物構件。資料來源：羅伯特-桑德斯/加州大學柏克萊分校

在新製程中，昂貴的可溶性金屬催化劑已被化學工業中常用的較便宜的固體催化劑所取代，用於可重複使用催化劑的連續流製程。連續流工藝可按比例放大，以處理大量材料。

康克向化學與生物分子工程系的異質催化劑專家貝爾諮詢後，首次嘗試使用這些催化劑。康克在氧化鋁上合成了一種鈉催化劑，他發現這種催化劑能有效地斷裂或裂解各種聚烯烴聚合物鏈，使兩部分中的一部分在末端帶有活性碳-碳雙鍵。第二種催化劑是二氧化矽上的氧化鎢，它將鏈末端的碳原子加入乙烯氣體中，乙烯氣體不斷流經反應室，形成丙烯分子。後一個過程稱為烯烴偏聚，會留下一個雙鍵，催化劑可以一次又一次地進入該雙鍵，直到整個鏈都轉化為丙烯。

聚丙烯也會發生同樣的反應，生成丙烯和一種稱為異丁烯的碳氫化合物。異丁烯在化學工業中用於製造聚合物，產品範圍從足球到化妝品，也可用於製造高辛烷值汽油添加劑。

令人驚訝的是，鎢催化劑比鈉催化劑更能有效地打斷聚丙烯鏈。

“沒有比鈉更便宜的了，」哈特維格說。 「鎢是一種在化學工業中大規模使用的富土金屬，而我們的釕金屬催化劑則更為敏感和昂貴。二氧化矽上的氧化鎢和氧化鋁上的鈉的這種組合就像兩種不同類型的泥土，讓它們一起分解整個聚合物鏈，從乙烯中生成丙烯，從聚丙烯中生成丙烯和異丁烯的產量甚至比我們用那些更複雜、更昂貴的催化劑生成的產量更高。

新型催化劑的一個主要優點是，它們無需去除氫來在聚合物中形成可斷裂的碳碳雙鍵，而這正是研究人員早期解構聚乙烯製程的一個特點。這種雙鍵是聚合物的致命弱點，就像聚酯或PET 中的活性碳-氧鍵使塑膠更容易回收一樣。聚乙烯和聚丙烯沒有這種致命弱點–它們的單碳鍵長鏈非常堅固。

“把聚烯烴聚合物想像成一串珍珠，」哈特維格說。 “末端的鎖可以防止珍珠掉落。但如果你把繩子夾在中間，就可以一次取出一顆珍珠了。”

這兩種催化劑共同將幾乎相等的聚乙烯和聚丙烯混合物轉化為丙烯和異丁烯（都是室溫下的氣體），轉化效率接近90%。對於單獨的聚乙烯或聚丙烯，產量甚至更高。

康克在反應室中加入了塑膠添加劑和不同類型的塑料，以觀察雜質對催化反應的影響。少量的這些雜質幾乎不會影響轉化效率，但少量的PET 和聚氯乙烯（PVC）則會大幅降低轉化效率。不過，這可能不是問題，因為回收方法已經將塑膠按類型分開。

哈特維格指出，雖然許多研究人員希望從根本上重新設計塑料，使其易於重複使用，但目前難以回收的塑料將在幾十年內成為一個問題。

「有人會說，我們應該取消所有的聚乙烯和聚丙烯，只使用新的循環材料。但幾十年來，世界都不會這樣做。聚烯烴價格便宜，而且性能良好，所以大家都在使用， “哈特維格說。 「人們說，如果我們能想出辦法讓它們變成圓形，那將是一件大事，而這正是我們所做的。我們已經做到了這一點。人們可以開始想像一家商業工廠能做到這一點。

編譯自/ ScitechDaily