中国农业大学韩鲁佳教授团队张学松课题组在农业废塑料化学升级回收领域取得系列突破性进展

导读

近日，中国农业大学工学院农业生物质资源利用工程实验室张学松教授课题组在系列自然指数期刊ACS Nano、Nano Letters（3篇）、Chemical Communications连续发表5篇研究论文。研究围绕典型废塑料的化学结构特性，开发出一系列高性能催化材料与工艺，实现对转化路径的精准调控，为废塑料的高值化与资源化利用提供了系统性的可持续技术方案。

塑料在农业生产中应用广泛，但由此产生的废弃物对生态环境与公共健康带来的危害正日益凸显。通过化学回收将塑料废弃物升级转化为绿氢、碳材料、可持续航空燃料等高附加值产品，被视为兼具环境效益与资源效益的有效路径。然而，现有催化体系普遍面临成本高、转化效率低、产物选择性不佳等挑战，亟待开发适配不同塑料类型的高性能催化材料，以实现反应路径的精准调控与目标产物的高效合成。

废塑料原位变身电催化剂桥接热−电催化联产绿氢

该系列研究首先从直链结构的聚乙烯塑料入手，开创性地提出一种可持续集成策略，将聚乙烯废塑料耦合转化为高性能电催化剂和高纯度绿氢。课题组设计了一种负载Ni纳米颗粒的微孔碳催化剂，实现对聚乙烯塑料的高效热催化转化，H2产率达55.26 mmol g-1 plastic。此过程的核心突破在于原位合成废塑料衍生的Ni-CNTs-OMC纳米复合材料并应用于电催化析氢反应，其在碱性电解质中展现出优异的催化性能，仅需215 mV过电位即可驱动10 mA cm-2的电流密度，且历经15000次循环后未见明显性能衰减。

该研究在分子水平上揭示了废塑料衍生电催化剂通过Ni封装结构调控碳纳米管电子分布，强化电极-电解液界面氢键网络，降低水分子解离能垒并优化氢中间体吸附，进而加速析氢反应动力学的机理。这一新进展为废塑料热催化资源化利用与电催化清洁能源生产构建了桥梁。研究成果以《塑料热催化升级回收制备镍封装碳纳米管电催化剂用于绿氢生产》（Thermocatalytic Upcycling of Plastic into Ni-Encapsulated Carbon Nanotube Electrocatalysts for Green Hydrogen Production）为题在《美国化学会纳米》（ACS Nano）发表。

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.5c19481?ref=pdf

农业聚乙烯废塑料化学升级回收为纳米复合材料桥接热催化-电催化联产绿氢的过程

微孔碳解锁废聚乙烯制取液体燃料新路径

针对传统金属-沸石体系在聚乙烯化学升级回收中存在的过度裂解、易失活等问题，课题组提出一种无贵金属的分级热催化降解级联策略，设计并合成了锌功能化、富含氧官能团和布朗斯特酸位点的微孔碳催化剂，实现聚乙烯向燃料范围正构烷烃和轻质芳烃的选择性转化，对汽油（C4-C12）和可持续航空燃料（C8-C16）范围烃类的碳选择性分别达89.65 mol%和71.68 mol%。原位傅里叶变换红外光谱揭示了在分子精度引导异构化和链裂解的碳正离子锚定机制。

该级联体系在升级回收多种真实农业废塑料时同样有效，为聚乙烯塑料的可控、规模化化学回收构建了路径。研究成果以题《构建用于聚乙烯升级回收中可控链裂解与芳构化的微孔锌功能化碳催化剂》（Engineering Microporous Zn-Functionalized Carbon Catalysts for Controllable Chain Cracking and Aromatization in Polyethylene Upcycling）发表于《纳米快报》（Nano Letters）。

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.5c05930?ref=pdf

农业聚乙烯废塑料通过微孔碳催化转化为正构烷烃和轻质芳烃的化学升级回收过程

三元纳米活性中心协同构筑支链烯烃

针对聚丙烯的复杂支链结构，课题组开发出NiO-NiAl2O4-Al2O3三元活性纳米复合材料，旨在生产异构烯烃这一重要化工原料。通过将NiO/NiAl2O4纳米颗粒尺寸调控至约5 nm，显著提升了活性位点密度与界面反应活性。催化剂可在30次循环中保持高稳定性和活性，液体产率最高达63.33 wt%，且以异构烯烃为主。对真实废弃物进行回收时，产物中汽油（C4–C12）选择性高达90.18 mol%。原位傅里叶变换红外光谱揭示了三元位点的协同机制：路易斯酸位点诱导聚丙烯链活化与预裂解，NiO/NiAl2O4位点促进脱氢与C-C键断裂，Al2O3酸性位点参与异构化与芳构化。

该工作为聚丙烯塑料的高值化利用提供了新途径。研究成果以题《三元活性NiO−NiAl2O4−Al2O3纳米复合材料选择性升级回收聚丙烯制液态支链烯烃》（Ternary-Active NiO−NiAl2O4−Al2O3 Nanocomposite for Selective Upcycling of Polypropylene into Liquid Branched Olefins）发表于《纳米快报》（Nano Letters）。

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.5c02752?ref=pdf

废弃聚丙烯通过三元活性纳米复合催化剂催化转化为高值化学品的化学升级回收过程

聚丙烯向支链α-烯烃的高值跨越

围绕异构α-烯烃这一高附加值工业原料，课题组提出基于M-Zn共掺杂分级多孔碳（M-Zn/HPC）的热解-催化升级策略。其中，双金属Mo2C-Zn/HPC催化剂性能最优，液态产物产率达887.3 mL/kgplastic，异构α-烯烃选择性高达54.5 Cmol%。机理研究表明，聚丙烯首先通过自由基断裂生成中间体，随后在Mo2C-Zn/HPC的双活性中心进行催化重整。晶格畸变的Mo2C促进了C-H键的活化，并与Zn/HPC的酸性位点协同促进β断裂等反应，从而高效生成异构α-烯烃。

该催化剂对日常生活中的塑料废弃物同样展现出优异的稳定性，为工业化应用提供了理论依据和技术思路。研究成果以题《多级孔碳负载Mo2C-Zn纳米簇催化塑料升级制备长链异构α-烯烃》（Long-Chain Branched α-Alkenes from Plastic Upcycling Using Mo2C-Zn Nanoclusters Embedded on Hierarchical Porous Carbon）发表于《纳米快报》（Nano Letters）。

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.5c05628?ref=pdf

双金属Mo2C-Zn/HPC催化聚丙烯转化为异构α-烯烃的反应路径

钙钛矿双活性中心破解聚酯塑料制氢难题

基于聚烯烃体系的研究基础，课题组进一步攻克结构含氧的聚酯塑料，开发出蒸汽强化热催化降解技术，将聚酯塑料高效、稳定地转化为富氢气体。该研究采用溶胶凝胶-分级煅烧法合成了氧空位浓度可调控的NiO-Ce1-xNixO2双活性位点钙钛矿型催化剂，并通过聚酯塑料的催化降解过程对其催化性能进行评估。CeNiO3催化降解聚酯塑料所得H2产率与碳转化率最高，分别达54.58 mmol gPET-1和83.13%。原位傅里叶变换红外光谱揭示了催化反应机理：Niδ+-Ov-Ce3+位点具有较强的电荷转移能力和更高的氧空位浓度，能促进CO吸附和H2O解离，从而展现出极佳的催化性能。

该研究开发出一条可调控的废塑料定向低碳转化路径。研究成果以题《用于催化升级回收PET制备氢气的NiO-Ce1-xNixO2双活性位点纳米复合材料》（A dual-active NiO-Ce1-xNixO2 nanocomposite for catalytically upcycling PET into H2）发表于《化学通讯》（Chemical Communications）。

https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2025/CC/D5CC01304F

催化剂的晶体结构和电子结构及其催化降解聚酯塑料的反应机理

中国农业大学为第一和通讯作者单位，研究生王锦、程晴、江源、刘芳杞、单纯为相关论文的第一作者，张学松教授为论文的通讯作者，韩鲁佳教授在研究过程中全程提供支持与指导。研究工作得到国家自然科学基金、国家现代农业产业技术体系和中国农业大学2115人才培育发展计划的资助。

来源：中国农业大学