近日，浙江大学清洁能源利用国家重点实验室王凯歌教授团队在《化学科学与工程前沿》发表了一项突破性研究，成功开发出一种高效双金属催化剂（NiRu/SiO₂），可在温和条件下将低密度聚乙烯（LDPE）转化为高价值液体燃料，同时将甲烷生成量大幅降低69%。这一成果为塑料垃圾的化学回收提供了全新的解决方案，并有望缓解塑料污染与温室气体排放的双重环境压力。

塑料回收的困境：为何聚乙烯如此“顽固”？

聚乙烯（PE）是日常生活中最常见的塑料之一，占全球塑料消费总量的36%。从塑料袋到食品包装，其广泛应用也带来了巨大的环境负担——传统物理回收方法难以处理受污染的PE废料，而填埋或焚烧则会导致微塑料扩散和二氧化碳排放。更棘手的是，PE的化学结构极其稳定：仅由碳-碳单键构成的长链分子缺乏活性基团，难以通过常规化学手段高效分解。

近年来，科学家将目光投向加氢裂解技术——在氢气氛围中，通过催化剂切断塑料分子链，将其转化为液态烷烃燃料或化工原料。然而，现有贵金属催化剂（如钌Ru、铂Pt）虽能实现高转化率，却存在显著缺陷：反应中产生大量低价值的甲烷（占气体产物的50%以上），不仅降低经济性，还加剧了温室效应。

双金属催化剂的“协同效应”：从“甲烷工厂”到“液体燃料库”

王凯歌团队的研究首次将非贵金属镍（Ni）与钌（Ru）结合，制备出双金属NiRu/SiO₂催化剂。实验表明，该催化剂在250℃、3 MPa氢气的温和条件下，可将LDPE的液体产物收率从单金属Ru催化剂的65.5%提升至83.1%，同时将甲烷产量从33.5%锐减至10.4%，降幅达69%。

这一突破得益于Ni与Ru的“合金效应”。通过X射线衍射（XRD）和透射电镜（TEM）分析，研究人员发现镍原子嵌入钌的晶格结构中，形成独特的Ni-Ru合金。这种结构不仅增强了催化剂表面对氢气的吸附能力，还改变了反应中间体的脱附路径。传统Ru催化剂会促使聚乙烯长链从末端持续断裂，生成大量甲烷；而双金属催化剂则通过强化中间产物的脱附，避免“链式裂解”，使产物向更重的液态烃（C₄–C₄₅）倾斜。

科学背后的机制：氢气“搬运工”与甲烷“刹车片”

研究团队通过氢程序升温脱附（H₂-TPD）和丙烷吸附实验揭示了催化机制。Ni-Ru合金表面具有更强的氢吸附能力，形成高密度的活性氢覆盖层。这些氢原子像“搬运工”一样，加速将断裂的聚乙烯片段转化为液态烷烃并促使其快速脱附，而非进一步分解为甲烷。此外，镍的引入还抑制了末端C-C键的断裂，如同为甲烷生成安装了“刹车片”。

值得注意的是，镍的添加量需精确控制。当镍负载量达1%时，液体产物收率最高；过量镍会覆盖钌的活性位点，导致催化剂失活。这一发现为未来催化剂的优化设计提供了关键参数。

从实验室到产业：塑料循环经济的曙光

目前，全球塑料回收率不足10%，而这项技术可将废弃聚乙烯直接转化为柴油、润滑油等高附加值产品，且反应条件温和（远低于传统热解所需的500℃以上），能耗大幅降低。研究团队进一步验证了催化剂的普适性：在正二十烷（C₂₀H₄₂）模型化合物的加氢裂解中，双金属催化剂同样表现出对长链产物的选择性，证实其工业化应用的潜力。

“这项研究为‘塑料变石油’提供了更环保、更经济的路径，”论文通讯作者王凯歌教授表示，“下一步我们将与化工企业合作，开发规模化反应装置，推动催化剂的实际应用。”

挑战与展望

尽管成果显著，塑料加氢裂解仍面临原料预处理、催化剂寿命、成本控制等产业化难题。例如，真实垃圾中的PE常与其他塑料或杂质混合，可能影响催化剂活性。此外，贵金属钌的价格较高，如何通过回收技术降低催化剂成本也是关键。

无论如何，这项研究为塑料污染治理注入了新希望。随着双金属催化剂的优化与工艺升级，或许不久的将来，随手丢弃的塑料袋将不再是环境的负担，而是循环经济中的“黑色黄金”。

来源: 化学工程前沿FCSE