第一作者：Lin Zeng

通訊作者：曾杰，李洪良

通訊單位：中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)

成果速覽

本研究提出了一種通過甲醇輔助脫聚法（PS-MAD）從聚苯乙烯（PS）中回收有價值的烷基苯的新方法。聚苯乙烯作為一種主要的塑料聚合物，產(chǎn)量從1950年的150萬噸增加到2019年的3.68億噸，而回收率卻不到1%。大量的聚苯乙烯廢物最終被填埋，占據(jù)了全球垃圾填埋場內(nèi)容物的約三分之一，并且在自然環(huán)境中分解極其緩慢，可能需要數(shù)千年的時間。

為了解決這一環(huán)境問題，本研究開發(fā)了一種新的化學(xué)回收策略，通過在Ru/SiO2催化劑的作用下，使用甲醇作為氫供體，將PS轉(zhuǎn)化為烷基苯。在280°C下反應(yīng)6小時，PS-MAD方法能夠?qū)崿F(xiàn)93.2%重量百分比的液體產(chǎn)品產(chǎn)率，這些液體產(chǎn)品中84.3%為有價值的烷基苯。

此外，該方法還避免了苯環(huán)的加氫反應(yīng)，減少了由聚環(huán)芳烴和聚苯烯產(chǎn)生的副產(chǎn)品。通過機(jī)理研究，發(fā)現(xiàn)甲醇分解在PS-MAD過程中提供了主要的氫供應(yīng)，從而抑制了PS的芳構(gòu)化過程。

圖文導(dǎo)讀

圖1 展示了PS-MAD方法與傳統(tǒng)的氫解和熱解方法相比，在液體產(chǎn)品和殘留物的質(zhì)量上的優(yōu)勢。通過GC-MS和GC-FID技術(shù)，對產(chǎn)物進(jìn)行了鑒定和定量分析。

圖2 顯示了在不同反應(yīng)時間和不同反應(yīng)溫度下，PS-MAD過程中C1產(chǎn)物的產(chǎn)率以及液體產(chǎn)品和殘留物的質(zhì)量。此外，還展示了對商用PS廢棄物進(jìn)行PS-MAD處理的實驗結(jié)果。

圖3 提供了PS-MAD反應(yīng)途徑的示意圖，包括甲醇分解、PS氫解和PS碳骨架的芳構(gòu)化三個主要路徑。

圖4 通過使用氘代甲醇進(jìn)行的PS-MAD動力學(xué)研究，揭示了反應(yīng)過程中氫的來源。

亮點介紹

1. 高效轉(zhuǎn)化：PS-MAD方法能夠在較低溫度下高效地將PS轉(zhuǎn)化為有價值的烷基苯，液體產(chǎn)品產(chǎn)率高達(dá)93.2%。

2. 高選擇性：該方法能夠以高選擇性（84.3%）生成有價值的烷基苯，避免了苯環(huán)的加氫反應(yīng)。

3. 低能耗：與傳統(tǒng)的高溫?zé)峤夂蜌浣夥椒ㄏ啾?，PS-MAD方法在較低的反應(yīng)溫度下進(jìn)行，有望降低能耗。

4. 催化劑穩(wěn)定性*：Ru/SiO2催化劑在連續(xù)反應(yīng)中顯示出高穩(wěn)定性，保持了良好的活性和選擇性。

5. 實際應(yīng)用潛力：研究還證明了PS-MAD方法對商用PS廢棄物的有效處理，顯示出該方法的實際應(yīng)用潛力。

高端表征

在本論文中，作者使用了多種高端表征技術(shù)來深入研究PS-MAD過程中的催化劑特性和反應(yīng)機(jī)理。

透射電鏡：通過使用高角環(huán)形暗場掃描透射電鏡（HAADF-STEM），作者對新鮮催化劑和經(jīng)過三次循環(huán)反應(yīng)后的催化劑中的Ru納米粒子進(jìn)行了形貌和尺寸的分析。結(jié)果表明，Ru納米粒子的平均直徑在經(jīng)過三次循環(huán)后有所增加，這可能對催化性能產(chǎn)生影響。

同步輻射：在研究PS-MAD過程中，作者利用同步輻射光離子化質(zhì)譜（SR-PIMS）技術(shù)，直接確定了氘代甲醇輔助氫解過程中產(chǎn)生的氫的來源。通過分析甲烷的氘化比例，證實了大部分活性氫物種來源于甲醇的分解，而非PS的芳構(gòu)化過程。

文獻(xiàn)信息

標(biāo)題：Recycling Valuable Alkylbenzenes from Polystyrene through Methanol-Assisted Depolymerization

期刊：Angewandte Chemie

DOI：10.1002/anie.202404952