韩布兴院士，最新Nature大子刊！

塑料变回乙烯！打通聚乙烯‘逆生长’之路

每年全球产生上亿吨塑料垃圾，其中聚乙烯（PE）与聚丙烯（PP）占比超过一半。它们难降解、难回收，成为“白色污染”的核心来源。尽管化学回收被认为是应对塑料危机的有效途径，但要将这些高分子塑料直接转化为高价值单体——乙烯和丙烯，长期以来面临着严重的反应动力学耦合难题。传统催化裂解受限于主产物与副产物的同步生成，使乙烯和丙烯产率长期徘徊在25%以下，难以实现真正意义上的塑料“闭环循环”。

今日，中国科学院化学研究所韩布兴院士、林龙飞研究员团队联合北京大学杨四海教授和北京师范大学韩雪教授提出了一种“动力学解耦–再耦合（KDRC）策略”，成功将聚乙烯高效转化为乙烯与丙烯，碳摩尔产率高达79%，创造了新的纪录。该研究通过双催化剂串联反应器实现了反应动力学的精准调控，配合同步辐射真空紫外光电离质谱（SVUV-PIMS）和中子衍射实验证实反应路径，为塑料闭环回收提供了切实可行的分子级解决方案。成果以“Closed-loop recycling of polyethylene to ethylene and propylene via a kinetic decoupling–recoupling strategy”为题发表于《Nature Chemical Engineering》上，Tianrui Bi, Yinlin Chen为共同第一作者。

塑料再生的新策略——从裂解到重组

传统的聚乙烯裂解过程就像“一锅乱炖”，乙烯、丙烯、烷烃、芳烃等产物同时生成，控制极为困难。而本研究的KDRC策略（图1c）巧妙地将复杂反应“拆开两步走”：第一阶段在260°C下使用层状自支撑沸石（LSP-Z100）催化，将聚乙烯裂解成中间产物丁烯和戊烯；第二阶段再在540°C下借助经磷修饰的HZSM-5（P-HZSM-5）催化剂，使这些中间烯烃通过“二聚–β裂解”反应生成目标产物乙烯与丙烯。通过“动力学解耦–再耦合”，研究团队实现了反应速率的完美匹配，使乙烯丙烯产率跃升至79%，远超以往最高记录的45%。这一策略无需贵金属、氢气或额外烯烃添加剂，仅依靠廉价、稳定的沸石催化剂即可实现高选择性转化，为化学循环经济提供了极具潜力的工业路径。

图1：KDRC策略示意——通过双催化剂分段控制，实现聚乙烯向乙烯丙烯的高效转化

揭开动力学秘密——找到“反应甜点区”

通过对不同温度条件下的反应速率建模（图2c–g），研究人员发现，控制中间体丁烯/戊烯浓度在0.004–0.008 mol CH₂·g⁻¹的范围内，可显著提升目标产物生成速率，形成所谓“动力学甜点区”（KSS I）。此时，一级反应（生成乙烯丙烯）占主导，而副反应（生成烷烃和芳烃）的二级反应几乎被抑制。在第二阶段（KSS II），温度超过500°C时，二聚–β裂解速率高于逆反应速率，从而实现高效乙烯、丙烯生成。这种基于动力学的精准“配速”，使复杂反应系统像接力赛一样衔接顺畅，也让研究者首次在分子层面揭示了塑料裂解路径的可控机制。

图2：动力学分析与“甜点区”确定，揭示产物选择性与温度、浓度间关系。

从中间体到机制——看得见的化学反应

为了验证反应途径，团队利用同步辐射真空紫外光电离质谱（SVUV-PIMS）技术进行原位检测。通过引入氘代聚乙烯（PE-d₄），他们首次直接捕捉到关键中间体C₈H₁₆信号（图3b），证实丁烯确实经历了二聚–β裂解通道生成乙烯与丙烯。这就像化学反应的“慢镜头”，让过去只能在理论模型中推测的步骤，在实验室中被真实地“看见”。研究还发现，反应温度从300°C升至350°C后，产物分布开始变宽，进一步印证了β裂解和聚合反应的竞争关系。

图3：SVUV-PIMS原位检测实验，首次直接观测到C₈中间体，确认二聚–β裂解路径。

深入催化剂内部——中子“看”酸位点分布

为何磷修饰后的HZSM-5能显著减少副反应？研究团队借助中子粉末衍射（NPD）揭示了答案（图4）。结果显示，磷元素的引入改变了酸位点的空间分布，削弱了过强的布朗斯特酸中心，使催化反应主要集中在“单分子”路径上，从而抑制了多分子副反应（如芳构化）。简而言之，P-HZSM-5就像一个“温和”的反应空间，只允许中间体按计划完成β裂解，避免“串台”。此外，NPD还捕捉到了C₈中间体在孔道中的吸附位置差异（图4i–l），进一步支持了实验机理模型。

图4：吡啶-d5 或辛烯负载沸石的晶体结构视图

从实验室走向应用——稳定、高效、可持续

科学突破若要走向现实，稳定性与经济性至关重要。团队的循环实验表明，LSP-Z100和P-HZSM-5两种催化剂在五轮反应后性能几乎无衰减（图5a）。在处理废塑料样品（HDPE、LDPE、PP）时，乙烯丙烯产率依然可达70%（图5b），表现出极佳的普适性。更令人振奋的是，连续进料模式下系统运行8小时仍保持约75%的高选择性（图5d），且碳排放相比传统热解法下降近一半（图5c）。这意味着KDRC不仅“能用”，还“划算”，同时兼顾经济效益与减碳目标。研究者还在克服含氮添加剂对催化剂毒化问题上取得进展，为未来工业化应用打下基础。

图5：KDRC在废塑料与连续反应系统中的应用展示，验证工业潜力与减碳效益

小结

本研究通过“动力学解耦–再耦合”理念，将复杂塑料裂解反应分步精控，实现了聚乙烯到乙烯、丙烯的高选择性闭环转化。其核心创新在于反应速率匹配与催化剂空间调控，为长期困扰塑料回收领域的“选择性瓶颈”提供了突破口。研究团队表示，这一方法完全可扩展至其他聚烯烃类塑料（如PP），有望建立面向碳中和目标的高值循环利用新模式。未来，随着催化材料与反应工程的进一步优化，塑料废弃物或将成为化工原料的重要“再生矿藏”

来源：高分子科学前沿

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