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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)境修復至關重要，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、清洗等預處理，而這些預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，尚未能夠實現(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鍵難題，且引起了科學界的廣泛關注。

微波輔助催化技術在介觀尺度和分子層面上，通過誘導催化劑“選擇性”生熱，能夠有效提高催化中心的溫度并突破反應平衡轉化率，從而在溫和的反應條件下促進聚烯烴廢塑料的解聚反應。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化為高附加值的化學品。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動力學，實現(xiàn)了微波選擇性催化，將聚烯烴、聚酯廢塑料轉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))等附加值化學品。

理化所馬望京、牛津大學肖天存和清華大學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”烯烴單體和基礎潤滑油前驅體化學品的選擇性催化轉化。Zn/b-ZnO是經(jīng)過初始b-ZnO原位反應重構獲得的，得益于Zn原子簇優(yōu)異的化學鍵活化能力、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。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潤滑油前驅體的 “選擇性” 轉化，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，重構得到的Zn/b-ZnO復合催化劑能夠高效且穩(wěn)定地將來自垃圾填埋場的農(nóng)用地膜轉化為以烯烴單體為主的氣體和以基礎潤滑油為主的油品。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復合催化劑依然能夠高效地將其轉化為以烯烴單體為主的氣體和以基礎潤滑油為主的油品。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，逐步轉化為具有更高活性和選擇性的Zn/b-ZnO復合催化劑，從而提高了附加值基礎潤滑油前驅體的產(chǎn)率。經(jīng)過激活后的Zn/b-ZnO復合催化劑展現(xiàn)出極好的穩(wěn)定性，在未經(jīng)過任何處理的情況下，催化劑可被重復使用超過50次，實現(xiàn)了250 g_plastic g-1 catalyst的高塑料解聚周轉數(shù)。這一結果表明，該催化劑在塑料回收與轉化過程中具有顯著的應用潛力。

圖 3. 微波催化升級回收結果和工藝能量效率

深入分析油品產(chǎn)物后發(fā)現(xiàn)，基礎潤滑油前驅體是主要成分，占油產(chǎn)品的60%-85%，具有顯著的附加值。與傳統(tǒng)熱催化技術相比，微波輔助催化在溫和反應條件（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)熱催化技術的1/8。這一結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構逐漸轉變?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催化劑在反應過程中經(jīng)歷了原位結構轉化。結合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催化劑的原位轉化，最終形成了高活性且穩(wěn)定的Zn/b-ZnO復合催化劑。

圖 5. 提出的反應途徑

機理研究表明，b-ZnO催化劑通過激活C-H鍵，形成Zn-烷基復合物，隨后經(jīng)歷β-烷基消除、氫轉移和氫消除等反應過程斷裂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)揮關鍵作用，它通過C-H鍵活化形成Zn-烷基復合物，并通過β-烷基消除反應誘導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，轉化為具有較高附加值的烯烴單體和基礎潤滑油前驅體。

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、動力學限制，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化為烯烴單體和基礎潤滑油前驅體。催化劑和解聚產(chǎn)物的深入分析發(fā)現(xiàn)，原位重構獲得的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-烷基復合物的形成和β-烷基消除反應。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潤滑油前驅體的選擇性和產(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合材料的直接回收利用。同時，微波技術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月在中國科學院理化技術研究所獲得博士學位，目前為中國科學院理化技術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)表學術論文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。獲得中國科學院大學三好學生、第四屆微波能化工應用會議青年科學家、第十二屆澳門國際發(fā)明展金獎等。

劉博男，中國石油大學（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/凈化劑的設計、研發(fā)、應用和失活研究，以及金屬材料的吸波性能和微波場中的催化表現(xiàn)。研究相關成果涵蓋了煤炭、石油和天然氣等多個能源化工領域，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)降解利用等領域。在Nat. Commun., Chem. Sci., J. Eng. Chem., Chem. Eng. J., Green. Chem., 工業(yè)催化，化學工程等國內(nèi)外知名化學、化工期刊發(fā)表論文19余篇，授權中國發(fā)明專利11項，獲得中國石油和化學工業(yè)聯(lián)合會科技進步二等獎2項。

馬望京，中國科學院理化技術研究所研究員，近5年主要圍繞綠色化學化工，致力于采用熱催化或微波驅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，廢棄塑料化學回收及其工業(yè)廢鹽資源化利用等應用研究，開發(fā)出高效的烯烴異構化催化劑，完成噸/釜烯烴異構中試并建成國內(nèi)首臺年產(chǎn)300噸的烯烴異構化反應裝置。在Nat. Commun., Adv. Mater., Adv. Sci.，Chem. Eng. J., Energy Convers. Manage.等化學、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年獲西北大學理學學士學位、1990年獲中科院蘭州化物所碩士學位，1993年獲中科院蘭州化物所博士學位，現(xiàn)為牛津大學高級研究員和OXCCU科技公司首席技術總監(jiān)，董事和founder，曾任牛津大學清潔能源研究中心技術負責人，Wolfson催化中心主任、牛津催化公司（倫敦證券市場上市）創(chuàng)始人及技術總監(jiān)，入選國家人才計劃。研究領域涉及環(huán)保新材料、清潔煤技術、低溫和高溫制氫、清潔工藝、燃料電池、石油加工和環(huán)保技術等清潔能源和環(huán)境保護領域。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，歐洲科學院院士（The Academia of Europaea）, 英國科學院-利弗休姆資深研究員,比利時歐洲科學院院士（European Academy of Sciences），英國皇家化學會會士, 國際材料和礦物協(xié)會會士和中國化學會名譽會士。曾任倫敦大學學院大學材料中心主任，化學工程系材料化學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。目前是清華大學首任碳中和講席教授，清華大學化工系工業(yè)催化中心主任。同時是倫敦大學學院客座教授，歐美同學會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。