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塑料制品廣泛應(yīng)用于人類生產(chǎn)生活。塑料制品消費(fèi)量的不斷增加不僅造成化石資源的大量消耗，其不恰當(dāng)?shù)幕厥仗幚矸绞竭€將加劇環(huán)境污染問題。因此，尋求高效經(jīng)濟(jì)的廢塑料處理方法對(duì)于保障可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境安全具有重要意義。近日，中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所在聚乙烯加氫裂化制備異構(gòu)烷烴方面取得新的研究進(jìn)展，為廢聚乙烯低耗、高值化再生提供了理論支撐。

針對(duì)聚乙烯（PE）加氫裂化反應(yīng)機(jī)理不清、構(gòu)效關(guān)系不明等問題，該研究選擇常用于石油加氫裂化和異構(gòu)化反應(yīng)的工業(yè)ZSM-22沸石作為催化劑載體，通過球磨法獲得m-ZSM-22后采用浸漬法合成Ru/m-ZSM-22催化劑。該催化劑在250℃-3 MPa-6 h反應(yīng)條件下可實(shí)現(xiàn)PE制備液相產(chǎn)率＞80 wt.%。同步輻射測(cè)試（圖1）表明，金屬和氧化Ru物種共存。Ru(101)和RuO₂簇氫解反應(yīng)能壘DFT計(jì)算結(jié)果（圖2）表明，Ru(101)易促進(jìn)PE內(nèi)部和末端C-C鍵的氫解反應(yīng)；而RuO₂簇對(duì)PE中間C-C鍵斷裂表現(xiàn)出更高反應(yīng)能壘，不支持長(zhǎng)鏈烷烴氫解反應(yīng)。該研究揭示了金屬/酸催化PE解構(gòu)-異構(gòu)串聯(lián)反應(yīng)機(jī)理（圖3），闡明酸性位點(diǎn)可及性和Ru金屬粒徑、價(jià)態(tài)及配位結(jié)構(gòu)的調(diào)控機(jī)制，指出Ru金屬價(jià)態(tài)調(diào)控鏈烴脫氫-烯烴脫附反應(yīng)是PE加氫裂化/氫解反應(yīng)的控制步驟，由此明確了催化過程構(gòu)效關(guān)系，為催化劑優(yōu)化設(shè)計(jì)、強(qiáng)化PE解構(gòu)-異構(gòu)反應(yīng)活性提供了基礎(chǔ)機(jī)制理論支撐。

不僅限于ZSM-22沸石，研究對(duì)商用微孔沸石（如絲光沸石）進(jìn)行同樣球磨改性，發(fā)現(xiàn)制得催化劑的金屬利用率和酸性位點(diǎn)可及性大大提升。小粒徑Ru和高酸性位點(diǎn)可及性在提升反應(yīng)效率、抑制甲烷生成和提高異構(gòu)率方面具有關(guān)鍵作用。

相關(guān)研究成果發(fā)表于能源化工領(lǐng)域期刊Chemical Engineering Journal（原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.150332），Energy Conversion and Management（原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.enconman.2023.117983），SCIENCECHINA Technological Sciences（原文鏈接：http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s11431-024-2701-0），通訊作者為廣州能源所袁浩然研究員。

該研究得到中國(guó)科學(xué)院基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目的資助。

圖1. Ru/m-ZSM-22催化劑表征結(jié)果

圖2. 不同Ru結(jié)構(gòu)表面氫解/加氫裂化反應(yīng)能壘

圖3. Ru/m-ZSM-22催化PE加氫裂化反應(yīng)路徑