科学家利用简单廉价的催化剂和空气分解塑料：一种新的 PET 回收方法
科学家利用简单廉价的催化剂和空气分解塑料
Amanda Morris, Northwestern University
照片显示了在每次加热 4 小时后不同运行中 TPA 产物的形成（总反应时间 = 20 小时）。 Credit: Green Chemistry (2025). DOI: 10.1039/D4GC05916F
Northwestern University的化学家们利用空气中的水分，开发了一种简单的新方法来分解塑料垃圾。
这种无毒、环境友好、无溶剂的方法首先使用一种廉价的催化剂来分解聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 中的键，PET 是聚酯家族中最常见的塑料。 然后，研究人员只需将破碎的碎片暴露在周围的空气中。 利用空气中微量的水分，分解后的 PET 会转化为单体——塑料的关键组成部分。 从那里，研究人员设想这些单体可以被回收成新的 PET 产品或其他更有价值的材料。
与当前塑料回收方法相比，这种新技术更安全、更清洁、更便宜、更可持续，为创建塑料循环经济提供了一条有希望的途径。 这项研究最近发表在 Green Chemistry 上。
“美国是人均塑料污染第一大国，但我们只回收了 5% 的塑料，”Northwestern University的 Yosi Kratish 说，他是该研究的共同通讯作者。“迫切需要更好的技术来处理不同类型的塑料垃圾。我们今天拥有的大多数技术都会熔化塑料瓶，并将其降级回收成质量较低的产品。”
“我们的研究特别令人兴奋的是，我们利用空气中的水分来分解塑料，从而实现了一种非常清洁和选择性的过程。通过回收单体（PET 的基本组成部分），我们可以回收甚至升级改造它们，变成更有价值的材料。”
该研究的第一作者 Naveen Malik 说：“我们的研究为世界上最紧迫的环境挑战之一：塑料垃圾，提供了一种可持续且高效的解决方案。与传统的回收方法不同，传统的回收方法通常会产生有害的副产品，如废盐，并且需要大量的能量或化学输入，而我们的方法使用了一种无溶剂的工艺，该工艺依赖于周围空气中的微量水分。这不仅使其对环境友好，而且对实际应用也具有很高的实用性。”
Kratish 是塑料回收方面的专家，是 Northwestern University Weinberg 文理学院的化学研究助理教授。 Kratish 与 Weinberg 化学系的 Charles E. 和 Emma H. Morrison 化学教授、Northwestern University McCormick 工程学院的材料科学与工程教授 Tobin J. Marks 共同领导了这项研究。 在研究时，Malik 是 Marks 实验室的博士后研究员；现在他是印度 SRM 科学技术研究所的研究助理教授。
塑料问题
PET 塑料常用在食品包装和饮料瓶中，占全球塑料使用总量的 12%。 由于 PET 不容易分解，因此它是塑料污染的主要来源。 使用后，它要么最终进入垃圾填埋场，要么随着时间的推移，降解成微小的微塑料或纳米塑料，这些塑料通常最终进入废水和水道。
寻找回收塑料的新方法是研究的热门话题。 但是，目前分解塑料的方法需要苛刻的条件，包括极高的温度、强烈的能量和溶剂，这会产生有毒的副产品。 这些反应中使用的催化剂通常也很昂贵（如铂和钯）或有毒，从而产生更多有害废物。 然后，在进行反应后，研究人员必须将回收的材料与溶剂分离，这可能是一个耗时且耗能的过程。
在之前的工作中，Marks 在 Northwestern University 的小组率先开发了不需要溶剂的催化过程。 在这项新的研究中，该团队再次设计了一种无溶剂工艺。
Kratish 说：“使用溶剂有很多缺点。 它们可能很昂贵，而且你必须将它们加热到高温。 然后，在反应之后，你会得到一堆材料，你必须对其进行分类才能回收单体。 我们没有使用溶剂，而是使用了空气中的水蒸气。 这是一种更优雅的解决塑料回收问题的方法。”
要进行这项新的研究，研究人员使用了钼催化剂和活性炭——这两种材料都是廉价、丰富且无毒的材料。 为了启动该过程，研究人员将 PET 添加到催化剂和活性炭中，然后加热混合物。 聚酯塑料是具有重复单元的大分子，这些重复单元通过化学键连接在一起。 经过短时间后，塑料中的化学键断裂。
接下来，研究人员将材料暴露在空气中。 借助空气中少量水分，该材料变成了对苯二甲酸 (TPA)——聚酯的高度有价值的前体。 唯一的副产品是乙醛，这是一种有价值且易于去除的工业化学品。
Malik 说：“空气中含有大量水分，使其成为化学反应的现成且可持续的资源。 平均而言，即使在相对干燥的条件下，大气中也含有约 10,000 至 15,000 立方千米的水。 利用空气中的水分使我们能够消除大量的溶剂，减少能量输入并避免使用腐蚀性化学品，从而使该过程更清洁、更环保。”
Kratish 说：“它工作得非常好。 当我们添加额外的水时，它就停止工作了，因为水太多了。 这是一种微妙的平衡。 但是事实证明，空气中的水量恰到好处。”
无尽的优势
由此产生的过程快速而有效。 仅在四个小时内，就回收了 94% 的可能 TPA。 该催化剂也耐用且可回收，这意味着它可以一次又一次地使用而不会失去效力。 并且该方法适用于混合塑料，仅选择性地回收聚酯。 凭借其选择性，该过程绕过了在使用催化剂之前对塑料进行分类的需求——这对于回收行业来说是一项主要的经济优势。
当团队在塑料瓶、衬衫和混合塑料垃圾等现实世界材料上测试该过程时，它证明同样有效。 它甚至将彩色塑料分解成纯净、无色的 TPA。
接下来，研究人员计划扩大该过程的规模以用于工业用途。 通过优化大规模应用的过程，研究人员旨在确保它可以处理大量的塑料垃圾。
Malik 说：“我们的技术有潜力显着减少塑料污染，降低塑料的环境足迹，并为循环经济做出贡献，在这种经济中，材料被重复使用而不是丢弃。 这是朝着更清洁、更环保的未来迈出的切实一步，它表明了创新化学如何以符合自然的方式应对全球挑战。”
更多信息： Naveen Malik 等人，在单中心二氧钼催化剂上，聚对苯二甲酸乙二醇酯塑料的热力学杠杆无溶剂好氧解构，《绿色化学》（2025 年）。 DOI: 10.1039/D4GC05916F
期刊信息： Green Chemistry