近几十年来，全球塑料产量呈现爆发式增长。然而，塑料的无处不在也带来了负面影响，大多数塑料最终被填埋或泄漏到自然环境中成为废弃物。塑料废弃物在环境中可持续存在数十年，其中一部分以微塑料形式进入水体系统，造成严重的环境和健康风险。因此，亟需设计在社会和工业上可行的塑料废弃物管理方法。
近日，浙江大学材料科学与工程学院、硅及先进半导体材料全国重点实验室杨德仁院士、孙威长聘副教授、多伦多大学Geoffrey A. Ozin教授等创新性地设计了一种环境友好、可持续且不需共反应物的太阳热能路径，在仅55 °C（通过4倍太阳强度，即400 mW/cm²产生的光热效应升温）下将聚烯烃废弃物转化为高价值的碳氢化合物（如图1所示）。研究方法采用了Cu/二维硅（2D Si）异质结构催化剂，结合了金属铜纳米颗粒优异的脱氢活性和硅纳米片卓越的太阳光吸收能力。Cu/2D Si催化剂通过将铜纳米颗粒一步封装在堆叠的二维硅中制备而成。该工作将氯铝酸离子液体[C4Py]Cl-AlCl₃稀释于氯仿中作为溶剂，形成强极性的反应环境，从而稳定裂解中形成的离子中间体并降低反应能垒。机理研究表明，该反应路径涉及两次C–C键的β断裂和快速的分子内环化，而无末端C–C断裂，产生的产物主要为高价值的烷烃（C₃-C₇）和环状碳氢化合物（C₈-C₂₆）。在反应中，Cu纳米颗粒提供脱氢活性位点，2D Si增强光吸收，协同提升了转化效率。该反应在温和的太阳光条件下进行，化学过程简单，有望开发出一种能源与环境可持续的聚合物升级回收技术。
图1：光热催化聚烯烃回收利用的性能和机理
同时，该光热系统在处理多种实际聚烯烃废弃物方面表现出高度适用性（见图2）。团队研究了基于六种常见塑料（PET、HDPE、PVC、LDPE、PP和PS）的现实塑料废物，以及其组合。系统在处理单一或混合后的LDPE、HDPE和PP方面均表现出良好转化效果。同时该工作也揭示了PVC、PS和PET等杂质对混合聚烯烃回收过程的影响。此外，提出了一种简便可扩展的切片-分离-转化工艺，利用水中浮沉法将聚烯烃与PET、PVC、PS等比水重的塑料分离，提供了一种处理混合废塑料的全流程解决方案。技术经济分析与生命周期评估显示，光热催化回收工厂在某些地区具有经济可行性，且相较化石路线可减少约30%的温室气体排放。
图2：实际塑料废物的光热催化回收和大规模反应展示
该项研究成果于2025年6月5日发表于国际顶级期刊《Nature Catalysis》上。该论文的第一作者为浙江大学硅材料研究组博士研究生邢传旺和上海交通大学长聘教轨副教授毛成梁。通讯作者为浙江大学杨德仁院士、浙江大学孙威长聘副教授、多伦多大学Geoffrey A. Ozin教授。浙江大学材料科学与工程学院硅及先进半导体材料全国重点实验室为该论文的第一单位。
