将聚乙烯（PE）转化为轻质烯烃具有显著的工业潜力。分子筛因可调酸性与孔结构，在石油炼制中广泛用于裂解C-C/C-H键并提高 轻质烯烃选择性。

然而，分子筛与传统烃类或聚合物反应物的相互作用存在显著差异，这一区别常被忽视却对其反应行为影响重大。

2025年8月26日，四川大学张帆、北京大学马丁、中国石油化工科学研究院李明丰、中国科学院山西煤炭化学研究所刘星辰在国际知名期刊Nature Communications发表题为《Efficient conversion of polyethylene to light olefins by self-confined cracking and reforming》的研究论文，Zhongwen Dong和BoPeng为论文共同第一作者，刘星辰、李明丰、马丁、张帆为论文共同通讯作者。

在本文中，作者提出了一种PE自限域裂解机制，可在温和条件（300 °C）下以超过70%的产率高效生成C₃-C₈烯烃。

有趣的是，产物分布仅取决于PE的自限域程度与熔体质量流动速率（MFR），而与沸石的多孔结构、金属含量及内部酸性无关。

最重要的是，该过程可实现灵活的串联催化重整，获得超过67%的C₂-C₄轻质烯烃和23%的可分离BTX（苯、甲苯、二甲苯），为废聚烯烃塑料的化学循环利用展示了巨大潜力。

图1：重油与PE催化裂解反应体系的差异。a)重油气-固催化裂解：底物与产物分子的扩散相对自由，仅受催化剂结构限制；b)聚烯烃催化裂解体系：催化剂被PE熔融层包裹，产物扩散受PE熔融层约束。

图2：长链烷烃与聚乙烯在300 °C下催化裂解产物分布比较及PE自限域裂解影响因素。a)不同链长反应物（C₁₈、C₃₀代表传统催化裂化原料，C₁₆₀、C₁₀₀₀代表PE）的裂解产物分布（反应条件：250 mg商用ZSM-5分子筛、500 mg反应物、40mL/min纯Ar气、300 ℃反应2h，误差棒代表标准差）；b)PE（C1000）在不同温度（300、400、500 ℃）下热裂解与催化裂解的不同馏分产物产率；c)300 ℃下PE裂解2h时不同馏分产物产率随催化剂/PE质量比（C/P）从5降至0.2的变化（误差棒代表标准差）；d)200 ℃下不同质量比（∞、2、1、0.5、0）的商用ZSM-5与PE混合样品对C₃H₆的吸附（每脉冲注入4.48 mmol C₃H₆，混合物在Ar流下200℃保温以确保完全熔融混合）；e)300 ℃下不同C/P（1为上图，0.5为下图）时PE裂解不同时间后烷烃、烯烃与芳烃的产率（误差棒代表标准差）；f)PE自限域裂解过程示意图。

图3：不同熔体流动速率PE自限域裂解的催化剂筛选。a) ZSM-5（含外表面酸性位点）与ZSM-5@SiO（无外表面酸性位点）上不同馏分产物的产率（反应条件：300 ℃、400 mL/min纯Ar气、250 mg催化剂、500 mg HDPE或C₃₀、反应2h）；b)商用ZSM-5及多种改性ZSM-5分子筛上不同馏分产物的产率（反应条件：300℃、40 mL/min纯Ar气、250 mg催化剂、500 mg HDPE、反应2 h）；c) C/P=2与0.5时三种不同拓扑结构沸石上PE催化裂解的产物分布（反应条件：300 ℃、40 mL/min纯Ar气、250 mg催化剂、500 mg HDPE、反应2 h）；d)所有催化剂的PE转化率与烯烃选择性（反应条件：300 ℃、40 mL/min纯Ar气、250 mg催化剂、500 mg HDPE、反应2h）；e)不同MFR与结构的PE在商用ZSM-5上的不同馏分产物产率（反应条件：300 ℃、40 mL/min纯Ar气、250 mg催化剂、500 mg PE、反应2 h）；f)不同MFR与结构的PE的烯烃产率及选择性（曲线基于视觉趋势绘制）；g)不同MFR与结构的PE的反应速率（反应条件：300 ℃、40 mL/min纯Ar气、250 mg商用ZSM-5、500 mg不同MFR的PE、反应0-20 min）。

图4：PE熔融层中扩散行为的分子动力学模拟。a) 200 ps内C₆H₁₂在不同烃类熔融环境（C₂₀、C₁₀₀、C₅₀₀、C₁₀₀₀，灰色）中的扩散结构模型；b) 200 ps内C₆H₁₂在不同链长石蜡熔融层中的均方位移（MSD）曲线（误差棒代表标准差）；c) C₃H₆向PE熔融层包裹的分子筛扩散的结构模型（PE/催化剂=4.84 mg/m²）；d) 100 ps模拟后C₃H₆向裸露分子筛片层扩散的最终结构；e) 100 ps内C₃H₆向不同PE熔融层包裹量的沸石扩散的z-MSD曲线（误差棒代表标准差）。

图5：PE自限域裂解的适用性与稳定性。a)不同实际PE样品（农用薄膜、塑料袋、瓶盖、塑料瓶）裂解后各产物馏分的产率（反应条件：167 mg多级孔ZSM-5、500 mg PE、40 mL/min纯Ar气、330-350 ℃反应4 h；注：农用薄膜与塑料袋在330 ℃裂解，瓶盖与塑料瓶在350 ℃裂解）；b)反应过程中烯烃选择性（气袋中产物）的变化（左图：一锅反应；右图：连续进料；PE裂解类比酒类蒸馏，仅在自限域效应活跃阶段收集富烯烃馏分）；c) PE自限域裂解-串联催化重整产物分析（左图：PE自限域裂解产物产率；中图：催化重整后C₂-C₄轻质烯烃、BTX及其他产物（不含固体残渣）的选择性；右图：催化重整后产物产率；PE自限域裂解反应条件：500 mg HDPE、167 mg纳米ZSM-5、300 ℃、40 mL/min Ar、反应4 h；催化重整条件：25 mg重整催化剂、600 ℃）。

综上，作者提出了PE自限域裂解机制，通过实验与分子动力学模拟揭示PE熔融层包裹沸石形成的限域空间可抑制烯烃中间体芳构化，使PE直接生成C₃-C₈烯烃；发现产物分布仅由PE自限域程度与MFR决定，与沸石特性无关，并通过串联催化重整进一步将产物调控为高比例C₂-C₄轻质烯烃与可分离BTX，实现废PE的高效化学循环。

该策略突破了废PE转化需高温（>800 ℃）、产物分布宽、副反应多的瓶颈，建立了温和条件下聚烯烃化学循环的新范式，为解决塑料污染与替代化石原料制备轻质烯烃提供了关键技术支撑。

研究成果可应用于废PE塑料（如农用薄膜、塑料袋、塑料瓶）的工业化化学回收，生产高价值轻质烯烃（乙烯、丙烯、丁烯）与BTX，助力“塑料-化学品”闭环循环，在石油化工、塑料回收等领域具有广阔应用潜力。

Efficient conversion of polyethylene to light olefins by self-confined cracking and reforming. Nat. Commun., 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-025-63116-8.