北大【Nature】利用正交转化技术破解混合废塑料高值化回收难题

近日，《自然》（Nature）杂志刊发了首篇关于真实混合废塑料高值化转化的研究成果。北京大学化学与分子工程学院马丁教授-王蒙副研究员团队领衔开发出核磁共振识别下的真实混合废塑料正交转化策略，实现了面向真实生活混合塑料废弃物的高效、高值化学品定向升值转化。

自工业革命以来，人类大量使用煤、石油、天然气等化石能源，获得电能、塑料和农药等社会发展所必需的能源和物资。但人类在满足自身需求的同时却产生大量的废弃物，严重破坏自然界自身的“碳循环”平衡，进而引发气候变暖、生态破坏等一系列环境问题。其中，塑料的广泛使用和大规模遗弃也使其成为全球性环境治理难题之一。每年全球新增塑料制品产量超过4亿吨，具有强度高，稳定性好的优点，但在废弃后却因具有耐久性强、难降解的特性，长期滞留于自然环境中，造成严重“白色污染”。

同时，海洋塑料垃圾、微塑料颗粒、堆填场渗滤液等二次污染问题日益严重，威胁生态系统稳定与人类健康安全。根据联合国环境署预测，若无有效干预，至2040年全球环境中的塑料废弃物总量将翻倍增长。如何破解复杂塑料废弃物回收利用难题，已成为实现绿色低碳发展和“双碳”目标的重要课题。

目前，在社会可持续发展的目标驱动下，由传统化石资源转化产生的废弃塑料，也不应该再以废弃物、污染物的形式遗弃在自然环境之中，而应作为重要碳资源加以利用。另一方面，塑料分子结构中存在高度有序的碳氢结构，我们应将塑料废弃物视为有价值的碳资源，可以通过保留一部分废塑料分子的碳-碳骨架，从完成了生命周期的废塑料中生产有用的化学品或燃料。通过这样的升级转化，不仅能够缓解废塑料造成的环境问题，还能高效利用废塑料中的含碳氢资源，迈向真正的循环经济。

当前，塑料废弃物回收技术主要包括物理回收、热能回收及化学转化回收三类。其中化学转化回收虽具有回收废塑料中所有化学元素，并加以高值化的巨大潜力，但大多数当前正在研发的化学回收路线仅适用于特定的塑料结构。当化学转化回收过程遇到真实混合废塑料时，往往受限于真实混合废塑料成分复杂、性质差异显著，而缺乏通用性强、过程可控的转化路径，目前只在少数塑料制品完成了回收转化过程。

在科学研究层面，塑料聚合物尽管种类繁多，但其化学结构存在官能团差异和分子构型异质性，这为正交分级解聚和定向转化提供了可能。过去，受限于表征手段与转化策略不足，难以实现对复杂混合废弃物中多官能团的精准识别与选择性转化。如何打破这一技术瓶颈，发展兼具普适性、高效性与经济性的废弃碳资源化转化策略，是当前循环经济的重要方向。

在这一背景下，该研究成果以固态核磁共振的二维技术精准识别混合塑料中的酯键、芳香环、氯代烷烃、烷基链等关键官能团分布，进而针对性设计正交化学反应路径，依托溶剂萃取、光催化氧化、催化胺化、皂化、脱氢偶联及加氢裂解等多步骤有机整合，逐级分离转化，最终联产多类高值化学品。

研究团队从模型体系出发，设计了完备的识别和转化路线。继而以20克来自人类生活的真实混合塑料废弃物样品为例，成功将聚苯乙烯、聚乳酸、聚氨酯、聚碳酸酯、聚氯乙烯、PET、聚烯烃等多类塑料，正交分级转化获得苯甲酸（1.3g）、邻苯二甲酸酯（0.5g）、丙氨酸（0.7g）、乳酸（0.7g）、芳香胺盐（1.4g）、双酚A（2.0g）、对苯二甲酸（2.0g）及C3-6烷烃（3.5g）等多种高值化学品。其中，多项产物为重要化工原料及医药中间体，经济附加值远超常规热裂解所得的低值气体与燃油产品，大幅提升废弃塑料资源化的经济性与环境效益。

该方法普适性强，适配多种真实废弃物样本。进一步研究显示，该策略对来自日常生活、石化企业、汽车维修、纺织工业等不同来源的包含印刷颜料、染色剂、增塑剂、生物质等杂质的各种复杂真实塑料废弃物样品同样适用。核磁共振可快速识别不同样本中主要官能团结构，然后设计正交转化路径，灵活调整反应路线，高效联产高值化学品。验证结果表明，该策略具有良好的普适适配性与应用推广潜力。

本项研究突破了长期困扰混合塑料废弃物高值化回收的技术瓶颈，提出了官能团识别+目标产物定向+正交反应路径设计的整体耦合方案，为复杂塑料废弃物回收利用提供了全新范式。未来，团队将围绕正交转化策略，系统评估工艺能耗、碳排放、回收效率及生命周期环境效应，持续优化工艺体系，助力塑料资源化技术向高值化、低碳化、循环化方向升级，切实服务国家“双碳”战略与全球可持续发展目标。

“我们希望通过这一技术，不仅推动学术前沿研究，更要为全球塑料污染治理和‘双碳’目标实现，提供具备现实产业价值的解决方案。”马丁团队表示。《自然》同期发文评论 “该成果是应对全球年产巨量塑料问题的重要进展”。

该论文第一作者为北京大学特聘副研究员张梅琦和中国科学院大连化物所博士后周易达。论文通迅作者为马丁、王蒙以及中国科学院大连化物所徐舒涛研究员。该研究工作获得国家自然科学基金、北京市自然科学基金重点研究专题项目、腾讯基金会科学探索奖、新基石研究员项目、北京分子科学国家研究中心等的资助。

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09088-7

来源：北京大学