韩布兴院士领衔！国科大林龙飞&北大杨四海&北师大韩雪最新Nat. Chem. Eng. | KDRC闭环回收聚乙烯制烯烃

来源：科研圈

2025年10月14日，中国科学院大学韩布兴、林龙飞、北京大学杨四海、北京师范大学韩雪在国际著名期刊Nature Chemical Engineering发表《Closed-loop recycling of polyethylene to ethylene and propylene via a kinetic decoupling–recoupling strategy》的研究论文，Tianrui Bi、Yinlin Chen为论文共同第一作者，韩布兴、林龙飞、杨四海、韩雪为论文共同通讯作者。

本研究提出“动力学解耦–再耦合”（KDRC）策略，在串联双分子筛反应器中将聚乙烯（PE）一步转化为乙烯和丙烯，总收率最高达79%，远超传统催化裂解<25%的极限。

原位表征与动力学分析揭示：KDRC先在低温段快速裂解PE生成丁烯/戊烯中间体，再在第二段同步进行二聚–β断裂，抑制副反应，实现乙烯丙烯的定向富集。

该路线稳定性高，为塑料闭环循环提供了可扩展的低碳方案。

聚烯烃直接裂解制乙烯和丙烯的代表性路线。a. 聚烯烃常规催化裂解制轻质烯烃。b. 先前使用脉冲加热技术在有或无催化剂的情况下将聚烯烃裂解为乙烯和/或丙烯的工作。c. 当前在沸石催化剂上应用转化的工作。

通过动力学解耦合-再耦合策略将聚乙烯选择性转化为乙烯和丙烯。a. 在单级反应器中高密度聚乙烯在 LSP-Z100 上的转化。b. 在双催化剂、单级系统中高密度聚乙烯转化的产物分布。c. 聚乙烯在 LSP-Z100 上裂解的速率常数。d. 不同温度下聚乙烯在 LSP-Z100 上裂解的产物浓度。e. 提出的聚乙烯转化简化反应方案。f. 主要产物（乙烯和丙烯）与副产物（烷烃和芳烃）的生成速率相对于丁烯和戊烯浓度的关系。g. 在 P-HZSM-5 上二聚-β-断裂的速率常数。h. 通过动力学解耦合-再耦合策略获得的乙烯和丙烯产率。i. 通过动力学解耦合-再耦合策略优化的催化结果。

通过同步辐射真空紫外光电离质谱对高密度聚乙烯转化进行原位研究。a. 在聚乙烯-d4裂解过程中1-丁烯转化的示意图设置。b. 在两级反应器中聚乙烯和聚乙烯-d4转化过程中1-丁烯的转化。对来自PE-d4 + C4H8系统的m/z范围26-50的质谱图进行了放大显示。反应条件：第一阶段使用80毫克聚乙烯或聚乙烯-d4和10毫克LSP-Z100，第二阶段使用30毫克P-HZSM-5；反应温度：第一阶段260°C，第二阶段540°C；1.5% C4H8/N2流速：10 sccm；电离能：11 eV。c. 在P-HZSM-5上进行1-丁烯程序升温反应的示意图设置。d-f. 在单级反应器中1-丁烯在P-HZSM-5上的程序升温反应。反应条件：P-HZSM-5，30毫克；反应温度：以100°C/分钟的速率从50°C程序升温至400°C；1.5% C4H8/N2流速：20 sccm；电离能：11 eV。

吡啶-d5 或辛烯负载沸石的晶体结构视图。所有模型均基于原位中子粉末衍射数据通过Rietveld精修获得。在正弦通道（PyI和 OctI）和直通道（PyII、PyIII 和 OctI）中观察到吡啶-d5的三个不同结合位点以及辛烯的两个不同结合位点。a. Py@HZSM-5 (T12O24(C5D5N)0.53)。b–d. HZSM-5中PyI(b)、PyII (c) 和 PyIII (d) 的详细视图。e. Py@P-HZSM-5 (T12O24(C5D5N)0.56)。f–h. P-HZSM-5中PyI (f)、PyII (g) 和 PyIII (h) 的详细视图。i. Oct@HZSM-5 (T12O24(C8H16)0.423)。j. HZSM-5中OctII的详细视图。k. Oct@P-HZSM-5 (T12O24(C8H16)0.398)。l. P-HZSM-5中OctII的详细视图。吡啶和辛烯分子以及参与结合的功能位点通过放大的球棍模型进行突出显示（Al/Si，紫色；C，灰色；O，红色；H，白色；N，蓝色）。O(H)···N相互作用和O(H)···C=C相互作用分别用青色和橙色突出显示。由于质子位置的不确定性，本文中所有氢键均描述为N/C与沸骨氧中心之间的距离。

KDRC策略的实际应用潜力。a. 五个反应循环中乙烯和丙烯产率的比较。反应条件：第一阶段使用100毫克高密度聚乙烯和12.5毫克LSP-Z100，第二阶段使用100毫克P-HZSM-5；反应温度：第一阶段260°C，第二阶段540°C；反应时间：2小时；N2流速：10 sccm。催化剂回收过程详见补充信息。b. 在两级反应器中对废聚烯烃进行催化转化以及所得的乙烯和丙烯产率。高密度聚乙烯和低密度聚乙烯的反应条件：第一阶段使用100毫克废高密度聚乙烯或低密度聚乙烯和12.5毫克LSP-Z100，第二阶段各使用50毫克P-LSP-Z100和P-HZSM-5；反应温度：第一阶段260°C，第二阶段540°C；反应时间：2.5小时；N2流速：10 sccm。*废聚丙烯的反应条件：第一阶段使用100毫克聚丙烯和20毫克LSP-Z100，第二阶段各使用50毫克P-LSP-Z100和P-HZSM-5；反应温度：第一阶段280°C，第二阶段540°C；反应时间：2小时；N2流速：10 sccm。c. 比较使用聚乙烯热解法和本工作提出的动力学解耦合-再耦合策略生产1公吨乙烯和丙烯所产生的二氧化碳排放量。d. 将聚乙烯转化为乙烯和丙烯的连续过程。反应条件：第一阶段12.5毫克LSP-Z100与石英砂混合，高密度聚乙烯以100毫克/小时的速率进料；第二阶段各使用50毫克P-LSP-Z100和P-HZSM-5；反应温度：第一阶段260°C，第二阶段540°C；反应时间：8小时；N2流速：10 sccm。e. 连续流动反应系统和石英管反应器。

综上，本研究针对聚乙烯（PE）化学回收中乙烯和丙烯收率受限（<25%）的瓶颈，提出“动力学解耦–再耦合”（KDRC）全新策略，在无需贵金属、外加氢气或烯烃的温和条件下，通过串联双分子筛反应器将PE高效转化为乙烯和丙烯，总碳摩尔收率最高达79%。

系统解析了KDRC机制：首先在260 °C下以层状自柱撑LSP-Z100分子筛裂解PE，生成丁烯/戊烯中间体并精准控制在“动力学甜点”浓度区间；随后在540 °C下以磷改性HZSM-5催化二聚–β断裂，将中间体高选择性转化为乙烯和丙烯，同时抑制氢转移和芳构化副反应。

借助同步辐射真空紫外光电离质谱与原位中子粉末衍射，研究直接捕获了C8中间体及酸性位点的空间分布，证实磷改性削弱酸强度、阻断双分子副反应通道，从而强化β断裂路径。

催化剂循环五次活性不变，对含添加剂的真实废塑料仍保持约70%烯烃收率，并可通过连续流模式稳定运行8小时，显示出优异的工业放大前景。生命周期评估表明，与常规PE裂解相比，KDRC在碳排放和经济性上均具优势。

KDRC概念可进一步拓展至聚丙烯、混合聚烯烃乃至其他惰性碳链聚合物，为城市废塑料的“单体级”闭环循环提供通用平台。

Closed-loop recycling of polyethylene to ethylene and propylene via a kinetic decoupling–recoupling strategy, Nat. Chem. Eng., (2025). https://doi.org/10.1038/s44286-025-00290-y.