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原文鏈接：https://news.sciencenet.cn/htmlnews/2024/6/525376.shtm

近日，中國科學(xué)院廣州能源研究所研究員袁浩然團隊在中國科學(xué)院基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團隊項目的資助下，在溫和條件下廢聚乙烯加氫裂化催化調(diào)控機制研究方面取得進展，為廢聚乙烯低耗、高值化再生提供了理論支撐。相關(guān)成果分別發(fā)表于《化學(xué)工程雜志》《能源轉(zhuǎn)換與管理》《中國科學(xué)：技術(shù)科學(xué)》。

塑料制品廣泛應(yīng)用于人類生產(chǎn)生活。塑料制品消費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)濟的廢塑料處理方法對于保障可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境安全具有重要意義。

針對聚乙烯（PE）加氫裂化反應(yīng)機理不清、構(gòu)效關(guān)系不明等問題，袁浩然團隊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)條件下可實現(xiàn)PE制備液相產(chǎn)率＞80 wt.%。

同步輻射測試表明，金屬和氧化Ru物種共存。Ru(101)和RuO₂簇氫解反應(yīng)能壘DFT計算結(jié)果表明，Ru(101)易促進PE內(nèi)部和末端C-C鍵的氫解反應(yīng)；而RuO₂簇對PE中間C-C鍵斷裂表現(xiàn)出更高反應(yīng)能壘，不支持長鏈烷烴氫解反應(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)機理，闡明酸性位點可及性和Ru金屬粒徑、價態(tài)及配位結(jié)構(gòu)的調(diào)控機制，指出Ru金屬價態(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、強化PE解構(gòu)-異構(gòu)反應(yīng)活性提供了基礎(chǔ)機制理論支撐。

不僅限于ZSM-22沸石，該研究對商用微孔沸石（如絲光沸石）進行同樣球磨改性，發(fā)現(xiàn)制得催化劑的金屬利用率和酸性位點可及性大大提升。小粒徑Ru和高酸性位點可及性在提升反應(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)論文信息：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.150332

https://doi.org/10.1016/j.enconman.2023.117983

https://doi.org/10.1007/s11431-024-2701-0

Ru/m-ZSM-22催化劑表征結(jié)果。研究團隊供圖

不同Ru結(jié)構(gòu)表面氫解/加氫裂化反應(yīng)能壘。研究團隊供圖

Ru/m-ZSM-22催化PE加氫裂化反應(yīng)路徑。研究團隊供圖