浙江
塑料已成为现代生活中无处不在的一部分——水瓶、购物袋和汽车仪表盘都离不开它。然而，塑料一旦被丢弃，就成了地球上最难回收的材料之一。大多数回收工艺要求先按类型对塑料进行分类，这一步骤既费时又昂贵，因此只有9%的废弃塑料被实际回收，79%被倾倒在垃圾填埋场，另外12%被焚烧，在此过程中释放二氧化碳。
如今，由加州大学洛杉矶分校萨穆利工程学院和韩国梨花女子大学的研究人员共同领导的一个团队，展示了一种新的化学方法，能够将三种最常见塑料的混合物直接转化为高纯度氢气燃料，且反应温度远低于传统气化工艺。该过程将二氧化碳以固体矿物形式固定下来，不会让这种温室气体释放到大气中。
这项发表在《美国国家科学院院刊》上的研究表明，碱性热处理（ATT）——即氢氧化钠在加热条件下与有机物反应以驱动产氢的工艺——能够在一个反应器中高效处理混合的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）废料，无需任何塑料分类步骤，即可产出纯度超过90%的氢气。
“我们同时解决了两个紧迫的全球性问题，”共同通讯作者、加州大学洛杉矶分校萨穆利工程学院院长Ronald与Valerie Sugar院长、化学与生物分子工程教授Ah-Hyung “Alissa” Park表示。“塑料废物正以惊人的速度累积，而清洁氢气对能源脱碳至关重要。这项技术以创造性和可规模化的方式应对了这两大挑战。”
ATT工艺改编自Park和共同通讯作者、梨花女子大学化学工程与材料科学教授Woo-Jae Kim最初开发的一种将海藻等生物质转化为氢气的碳中性方法。在实验室实验中，研究团队使用改进后的ATT工艺将PET、PE和PP转化为高纯度氢气。与传统蒸汽气化相比，该方法从PET中获得的氢气产量显著更高，且操作温度低300至400摄氏度。
与PET不同，聚乙烯和聚丙烯最初在产氢方面效果较差，因为它们完全由碳氢键组成，且在碱性条件下具有化学惰性。为了活化它们，研究人员开发了一种热氧化预处理方法，即在主反应前将塑料在空气中短暂暴露于温和加热条件下。该步骤在聚合物链中引入含氧官能团，产生碱性处理可以作用的反应位点。
一旦被活化，三种塑料均能高效分解。反应过程中释放的碳被氢氧化钠试剂捕获，并转化为固态碳酸钠，而不是以大气二氧化碳的形式逸出。反应后分析表明，原始塑料中超过75%的碳最终以稳定碳酸盐或液态有机残留物的形式存在。只有不到13%以气态形式出现，反应过程中直接向大气释放的碳可忽略不计。碳酸钠随后可通过简单的回收工艺转化为碳酸钙，从而将碳永久固定在一种矿物中，该矿物广泛用于传统高碳排放行业。
此前将塑料废物转化为氢气的低温方法，如太阳能驱动光重整和电化学转化，仅适用于含氧塑料（如PET），而无法处理废物流中最丰富的两种塑料——聚乙烯和聚丙烯。高温气化可以处理未经分类的混合塑料，但会释放大量二氧化碳。ATT是该团队首次将其自身方法应用于同时解决上述三个局限。
“通过降低分类成本和工艺复杂性——这两项一直是商业化的主要障碍——这项技术有潜力成为支撑氢经济和循环经济的下一代核心技术，”Kim表示。
研究人员表示，在规模化部署之前，还需要进一步优化工艺并评估其经济可行性。
本研究得到了韩国国家研究基金会的支持。其他作者包括梨花女子大学的Jieun Park、Hyerin Seo和Jiwon Lee；韩国航空大学的Hyunah Kim；江原大学的Hyung-Kyu Lim；以及西江大学的Wonho Jung。
原文链接：https://www.pnas.org/doi/abs/10.1073/pnas.2537552123
（素材来自：氢能技术 新能源网综合）
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