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上海大学黄垒课题组ACS Catalysis:分子筛酸性位点促进聚乙烯塑料催化氧化升级回收制二元酸

第一作者:袁繁

通讯作者:黄垒 研究员

通讯单位:上海大学

论文DOI:10.1021/acscatal.4c04987



全文速览


本文利用工业化的ZSM-5分子筛在温和条件(160°C、1.5 MPa空气压力)下将高密度聚乙烯(HDPE)选择性氧化升级为C4-C17二元羧酸,其中Si/Al比为38的分子筛因酸性位点密度最高而表现最佳。机理研究表明,Brønsted酸性位点与氧气协同通过碳正离子机制驱动氧化反应,突破了传统自由基路径的局限,该催化剂有望广泛应用于多种聚乙烯原料及废塑料的氧化升级回收。



背景介绍


塑料升级回收的挑战与机遇:聚乙烯(PE)是产量最大的塑料品种之一,其稳定的C-C和C-H键使其难以被高效化学回收。传统的高温热解通常得到组分复杂的混合物,价值较低。近年来,催化氧化策略展现出将聚烯烃转化为含氧高值化学品(如二元酸)的巨大潜力,但往往需要贵金属催化剂。那么,能否开发一种非贵金属、高效且稳定的催化剂,在温和条件下实现聚乙烯向二元酸的高选择性转化?


沸石催化剂的潜力:沸石分子筛(如ZSM-5)是石油化工中不可或缺的高效催化剂。近年来,分子筛在塑料氢解方面取得了显著进展,其表面丰富的酸位点(Brønsted酸, BAS 和 Lewis酸, LAS)在C-C键断裂(裂化)中有重要作用。然而,利用沸石催化氧化聚乙烯的工作却鲜有报道。考虑到ZSM-5对烷烃的活化作用,一个诱人的设想浮出水面:能否利用ZSM-5的酸位点先“裂解”PE长链,同时利用氧气“氧化”断链产物,协同实现PE向含氧化合物的高效转化?



本文亮点


我们课题组一直关注塑料催化氧化升级回收。此前,我们曾报道了Ru/TiO₂催化剂可在160°C、1.5 MPa空气条件下将PE高选择性地转化为长链二元酸(Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202301340)。虽然性能优异,但贵金属的成本和稳定性仍是规模化应用的潜在障碍。于是,我们开始思考:能否用价格低廉的工业催化剂替代贵金属

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