塑料在一小时内，即可变成航空燃料！这是华盛顿州立大学化学和生物工程学院林鸿飞教授的最新成果。几年前，电影《泰囧》也描述过相关场景，徐峥饰演的商人发明了一种名叫“油霸”的产品。给汽车加油只需加到三分之二，这时滴入两滴“油霸”，油箱汽油就能变成满满一箱。而在本次研究中，通过研发相关催化工艺，林鸿飞团队能把废弃聚乙烯塑料高效转化为喷气燃料和高价值润滑剂。“（这）属于对废旧塑料制品的升级改造，变废为宝，” 有着 “木头大王” 之称的马里兰大学胡良兵教授曾让碎木屑转为生物塑料，他这样向 DeepTech 评价林鸿飞的研究。据联合国数据，每年约有 3 亿吨塑料最终进入垃圾填埋场。其中，聚乙烯（PE）是当前全球最流行的塑料，从早上买包子用的塑料袋、塑料牛奶瓶、洗发水瓶以及塑料凳子，可以说只要活着就得跟塑料打交道。南京理工大学教授傅佳骏、南京林业大学副教授徐建华告诉 DeepTech：“目前，最常见的塑料回收方法包括机械法和化学法。机械回收方法是将塑料熔化并重新成型，但二次成型的塑料制品的质量普遍会下降。化学法可将塑料转化为更高质量的产品，但它需要较高的反应温度和较长的处理时间，这就导致了回收的经济成本很高。”以化学法为例，通常塑料必须在大约 400 摄氏度的温度下加工，全过程一般需要 24 小时左右，这会导致成本过于昂贵。受此影响，以美国为例该国每年只有约 9% 的塑料得到回收。而本次工艺不仅能避免塑料废物进入环境，还减少了再生塑料的制备时间。林鸿飞告诉媒体，换个角度来看，塑料也是一种能源或化学来源，它可以用作原材料，并通过相关途径转化为有价值的产品。多年来，林鸿飞团队一直在试验含碳催化剂，他们发现这种催化剂能以化学方式去分解聚乙烯等塑料，并且还能把它们分解成更短的烃链。图 | 左为林鸿飞，右为第一作者 Chuhua Jia（来源：https://news.wsu.edu）然而，这种化学回收方式，仍然需要较高的反应温度和较长的处理时间，对于目前的工业应用来说，成本很昂贵，流程也比较繁琐。而在本次研究中，他们在测试其他相关溶剂时发现，有些溶剂会渗透塑料，使得塑料的物理特性发生改变，这时的塑料更容易接触催化剂，相关反应速率也可得到最大限度的提高。通过相关测试，他们发现生产最多燃料的溶剂是正己烷，而甲基环己烷则是生产大量高质量润滑剂的最佳选择。相关工艺结合了两种效应：催化效应和溶剂效应。其中，加入溶剂可帮助渗透塑料中的基质，这会让塑料更容易分解和降解，这时再加入催化剂就能让 C-C 键加速裂解，C-C 键的长链也会变成短链。比较简单的碳氢化合物有甲烷乙烷等，塑料作为一种高分子聚合物，它有着很长的链式结构。而燃料中含量较高的碳氢化合物，也都具备中长链式结构。图 | 溶剂中的HDPE聚合物降解途径（来源：Chem Catalysis）那么这时，通过调整某些参数比如溶液承受的压力量、催化剂用量或者溶剂类型，即可生产柴油和润滑油等其他高价值的碳氢化合物产品。研究中，他们在各种液相溶剂中用 Ru/C 催化剂，在相对温和的条件下进行了高浓度聚乙烯的解聚。其中，喷气燃料和润滑剂类型碳氢化合物的最大产率分别为 60.8% 和 31.6 %， 在优化反应条件之后，液态烃产品的总产率仅在 1 小时内就达到了约 90%（百分数均为重量百分）。此外，通过调整氢气分压、活性金属颗粒大小和溶剂，还可管控产物的分布。另据悉， 聚乙烯在不同溶剂中的溶解度，将决定着解聚反应发生机制。该团队通过相关反应的分子动力学模拟结果，证实了上述机制。这种高效工艺的应用，可带来更高的选择性，也为从废弃塑料中生产高价值产品提供了一种有前景的方法。图 | 相关论文（来源：Chem Catalysis）相关论文以《Ru 催化剂氢解将高密度聚乙烯解构为液态烃燃料和润滑剂》（Deconstruction of high-density polyethylene into liquid hydrocarbon fuels and lubricants by hydrogenolysis over Ru catalyst）为题发表在 Chem Catalysis 上，林鸿飞担任通讯作者，Chuhua Jia 是第一作者。之所以使用聚乙烯塑料作为演示，是因为该团队发现它非常适合作为概念证明，转化过程也比其他需要更高温度的热解方法更节能。一开始，他们也没想到溶剂和催化剂的效果竟然这么好，对此论文一作 Chuhua Jia 表示很惊讶，他说在实验之前，团队只是推测可能有效，但没有像最终效果如此明显。通过调整相关加工条件，如温度、反应时间或催化剂用量，即可对过程进行微调，从而制备出不同产品。这一概念也适用于不同类型的塑料，有些塑料如聚酯等它们包含着不同类型的化学键。因此，需要进行不同 “对待”。据了解，该团队在一个反应器中进行相关测试，并掌握了制备更多润滑剂和燃料的方法。谈及自己团队的研究、和本次研究在原理以及解决思路上的不同时，胡良兵告诉 DeepTech：“将木材进行修饰和改性并应用于各种结构材料的主要意义在于其采用了可降解、易回收的天然材料，因而在木材制品的使用程中无需担心后续的回收困难和环境污染等问题，即该手段从源头上解决了材料循环问题。相比而言，此项研究为塑料制品的回收提供了一种新的思路和方法，即这项研究将低附加值的废旧塑料转化为高附加值的液态燃料。”虽然塑料被赋予了新的生命，但这个过程仍然有一个警告，塑料最初是由化石燃料制成的，也就是说当它被转化后，就不再是低碳燃料。但是林鸿飞表示，如果塑料的制造方式有所不同，这种情况可能会改变。
图 | 温度、反应时间和催化剂加载效应（来源：Chem Catalysis）
