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  塑料廢棄物的累積已造成嚴(yán)重的環(huán)境問題，而高效解聚塑料對于實現(xiàn)可持續(xù)的廢物管理與循環(huán)利用至關(guān)重要。然而，要將聚烯烴塑料高選擇性地解聚為單體仍是一個挑戰(zhàn)。受白熾燈啟發(fā)，本研究提出利用高溫過渡金屬絲的催化解聚策略，將聚烯烴塑料轉(zhuǎn)化為烯烴單體，單體選擇性最高可達65%。受電加熱的過渡金屬絲作為局域熱源，可升溫至高達2300 °C，從而顯著促進氣態(tài)產(chǎn)物的生成。同時，具有陡峭溫度梯度的反應(yīng)區(qū)域有效抑制單體的二次轉(zhuǎn)化。通過調(diào)控不同高熔點金屬元素，可實現(xiàn)單體選擇性的可調(diào)控性，并可進一步拓展至諸如不銹鋼等大宗商品合金材料。

  2025年11月25日，相關(guān)工作以Light bulb-inspired high-temperature catalytic depolymerization of polyolefin plastic with high monomer selectivity為題發(fā)表在Nature Communications上。文章第一作者為于士杰、韓沛杰，通訊作者為顏寧教授，通訊單位為新加坡國立大學(xué)。

  塑料廢棄物已成為全球性的環(huán)境挑戰(zhàn)，實現(xiàn)高效回收需要將塑料降解為結(jié)構(gòu)明確且可再循環(huán)的單體。然而，聚烯烴主要由碳碳單鍵組成，其化學(xué)結(jié)構(gòu)缺乏明顯的催化活性位點，選擇性解聚依然存在挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)熱解往往伴隨著慢速升溫和復(fù)雜副反應(yīng)，即使使用催化劑，從聚烯烴中獲得單體的選擇性仍然極為有限。

  研究以鎢絲作為模型材料，通過調(diào)節(jié)電壓控制燈絲溫度，在約1250 °C 時聚乙烯解聚可獲得約 48% 的乙烯選擇性。聚烯烴種類（包括不同分子量的 PE、PP 以及 PE/PP 混合物）在相同體系中均可產(chǎn)生較高比例的對應(yīng)烯烴單體。進一步測試的 14 種高熔點金屬表現(xiàn)出明顯不同的產(chǎn)物分布，其中部分金屬（如 Nb、Ta、Pt）可使乙烯選擇性超過 60%。機理研究表明，反應(yīng)器在短時間內(nèi)形成了僅局限于金屬絲周圍的高溫區(qū)，并伴隨明顯的溫度梯度及流場分布，使裂解產(chǎn)物迅速離開高溫區(qū)。聚烯烴解聚的主要自由基途徑為 β-C–C 鍵斷裂，其斷裂占據(jù)主導(dǎo)地位，驅(qū)動鏈增長機制，選擇性地生成烯烴單體。循環(huán)實驗表明，鎢絲在多次操作后仍保持接近的選擇性，不銹鋼在該體系中也表現(xiàn)出高達約63% 的乙烯選擇性。

圖1 燈泡啟發(fā)的高溫催化聚烯烴解聚策略

圖2 基于高溫催化金屬絲策略的聚烯烴解聚

  本文基于白熾燈燈絲的特征構(gòu)建了高溫催化金屬絲解聚體系，實現(xiàn)了聚烯烴向單體的高選擇性轉(zhuǎn)化，并通過實驗與模擬計算明確了溫度場、流動場以及自由基反應(yīng)路徑對產(chǎn)物分布的影響。研究顯示多種高熔點金屬都能顯著調(diào)控單體產(chǎn)率，且一些商品級金屬材料如不銹鋼可提供與貴金屬相近的表現(xiàn)。文章指出，為進一步推動該方法的工程化應(yīng)用，需要考慮金屬絲在長時間運行中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及實際廢塑料中的雜質(zhì)影響，并需要繼續(xù)優(yōu)化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)以適應(yīng)更大規(guī)模操作。

  顏寧教授課題組主頁：https://www.yan-group-nus.com/

  原文信息

  Yu, S., Han, P., Li, H. et al. Light bulb-inspired high-temperature catalytic depolymerization of polyolefin plastic with high monomer selectivity. Nat Commun 16, 10494 (2025).

  https://www.nature.com/articles/s41467-025-65524-2