杰青联手，最新Nature Sustainability！

全文速览

南开大学展思辉和北京大学马丁研究团队合作开发了一种定制的LaFe0.3Al0.7O3催化剂，可显著提升过氧单硫酸盐（PMS）的活化效率，实现PVC的逐步催化解聚，将 PVC 完全转化为 CO2 和液态有机产物。其中液体产物中有价值的烃类化合物产率超过90%。机理研究表明，该过程经历了单线态氧（1O2）介导的优先脱氯阶段，以及羟基自由基（·OH）驱动的聚合物主链氧化阶段。1O2与·OH的协同作用有效避免了脱氯过程中有毒副产物的生成。生命周期评估显示，与传统PVC 废弃物处理方法相比，该策略可降低45–99%的碳排放和51–99%的生态成本。该方法实现了将持久性塑料废弃物安全、清洁地转化为高价值烃类产物，为构建更可持续的未来提供了新机遇。相关研究成果以“Catalytic cascade depolymerization for sustainable recycling of waste polyvinyl chloride”为题发表在 Nature Sustainability 期刊上，论文第一作者为毛月霜、王鹏飞、曹若辰，通讯作者为展思辉和马丁。

背景介绍

塑料废弃物带来严重环境问题，其中聚氯乙烯（PVC）因化学惰性和高含氯量难以处理。传统方法如填埋、机械回收和焚烧效率低且易产生有毒副产物，生物降解又受限于其稳定结构和含有氯等生物毒性成分。化学转化虽可将PVC转化为有价值产物，但通常需高温高压，不够绿色。基于过氧单硫酸盐（PMS）的类芬顿反应能在温和条件下生成高活性氧物种（ROS）降解塑料，但受限于ROS产量和电子转移效率。相比之下，双金属位点催化剂凭借金属间协同作用可更高效激活PMS，提高反应活性。此外，优先实现脱氯可以避免有毒氯代副产物并降低后续处理风险，但PVC中C-Cl 键的键能高，在室温下脱氯效率低，阻碍其彻底氧化。因此，需要设计能同时高效产生活性氧和逐步脱氯与氧化的高活性位点，以在温和条件下高效、绿色地转化PVC废弃物。

图文解析

图1 | 催化剂的表征。

(1) 通过简便的溶胶-凝胶法合成了具有不同Fe/Al比例的LaFexAl1−xO3催化剂，发现LaFe0.3Al0.7O3 (LFAO)在 PVC 解聚过程中表现出最佳的PMS活化性能。结构表征显示，Fe3+取代Al3+导致晶胞膨胀和局部八面体结构畸变，且畸变程度随Fe含量呈火山型曲线变化，并在LFAO达到最大值，形成独特的Al–O–Fe构型。

图2 | 不同反应时间下PVC解聚过程中的结构变化。

(1) LFAO/PMS体系可显著解聚 PVC结构，反应过程中颗粒表面出现裂纹、皱纹和突起，粒径明显减小，分子量下降并伴随约40%的质量损失，证明 PVC 链断裂和结构解聚的发生。

(2) ATR-FTIR、XPS、NMR 分析表明，PVC先经历C–Cl键断裂的脱氯阶段，随后发生C=C、C=O和–OH等含氧官能团的生成，揭示出活性氧驱动的“先脱氯、后氧化”逐步解聚机制。

图3 | PMS的活化途径。

(1) LFAO中Fe–Al双金属位点通过氧桥实现电子在Fe与Al之间的定向迁移，形成电子贫/富区，有效促进PMS活化并生成1O2与·OH等活性氧物种；其中1O2负责脱氯，·OH主导C–C键氧化断裂，两者协同实现高效解聚。

图4 | PVC的级联解聚过程。

(1) 在优化条件下，PVC在84小时内几乎完全分解，气相产物仅为CO2，总量为 0.63 mmol。液相产物主要为烃类，少量产物为氯代烃和有机含氧化合物。由于C–Cl键断裂， PVC中约94%的Cl在液体中生成了HCl。

(2) 电子分布计算与自由能分析表明，1O2优先攻击PVC中富电子的C–Cl位点，脱氯能垒低；1O2与·OH协同作用显著降低反应能量并释放热量，有助于 PVC 解聚。

(3) 提出了级联解聚反应机制：首先1O2活化 PVC 并诱导脱氯，随后·OH促进羟基化和C–C键断裂，最终形成小分子产物与CO2。

图5 | 生命周期评估。

(1) LCA结果显示，LFAO/PMS高级氧化过程在常温下运行、催化剂可再生，能显著减少物料与化石能源消耗，相比机械回收、填埋和焚烧等传统方式，各类环境影响指标均明显降低，温室效应潜能值（GWP）下降45–99%。生态成本仅为€5.05，较传统处理方式降低51–99%，表明该体系在减少环境负担的同时兼具资源循环利用潜力，为实现PVC解聚的绿色可持续工业化提供方向。

文献信息

Mao, Y., Wang, P., Cao, R. et al. Catalytic cascade depolymerization for sustainable recycling of waste polyvinyl chloride. Nat Sustain (2025).

https://doi.org/10.1038/s41893-025-01654-1