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    兩篇Nat. Catal.:塑料垃圾這樣變成能源

    2021.01.03塑料合金材料

    人類最偉大的現代發明之一就是塑料了,它在我們的生活中扮演了一個重要的角色。塑料袋、塑料瓶和塑料餐盒極大地方便了我們的生活,但是卻也給我們帶來了巨大的環境問題。超過75%的一次性塑料在使用之后無法被回收,它們會進入海洋、下水道等地,傷害野生動物并污染我們的環境。

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    現在,世界上有至少49億噸的塑料垃圾被掩埋在地下或自然界中。隨著塑料市場的增長,目前全球每年生產3.8億噸塑料,且產量還在增長。如果我們沒有進一步采取措施,那么自然界將會被塑料所淹沒。但是,這些問題處理起來非常棘手。
    塑料的壽命是非常長的,一個塑料袋需要10到20年才能降解,一個塑料瓶需要500年才能降解。即使看著它好像“消失了”,但它的殘余依舊存在。隨著時間的推移,塑料會慢慢分解成更小的碎片,最終會成為非常微小的微塑料顆粒。每年都有1000萬噸塑料流入海洋,但是在海面上漂浮的只是其中1%,剩下的全部變成了微塑料,它們可能被海洋生物所吞下。

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    好消息是,人類目前已經意識到了問題的嚴重性。對于現有的塑料問題,科學家在研究如何對其進行轉化。Nature Catalysis 雜志上線了一篇關于聚合物分解的論文 ,直接將多種塑料垃圾變成氫氣。這項工作來自牛津大學Peter Edwards、Tiancun Xiao和劍橋大學John Thomas等研究者,他們使用微波激活鐵基催化劑顆粒有效地降解粉碎的塑料垃圾,并提取氫氣。整個過程只需一步,耗時僅僅30-90秒,就可將多種現實生活中的塑料垃圾轉化為清潔燃料氫氣,產率高達55.6? mmol/g塑料。此外,塑料垃圾降解完畢之后所剩下的固體殘留物主要是多壁碳納米管,也具有較高的應用價值。

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    將塑料變成氫氣已經為解決塑料污染做出了巨大的貢獻,現在竟然還可將塑料變成柴油!可所謂一舉兩得啊。
    日前,美國愛荷華州立大學Frédéric A. Perras、Aaron D. Sadow和黃文裕(Wenyu Huang)等研究者合作在Nature Catalysis 雜志上發表論文 ,他們受自然界中蛋白酶通過反復剪斷分子鏈來消化蛋白質的啟發,設計出一種基于介孔二氧化硅和鉑納米粒子的催化“剪刀”(mSiO2/Pt/SiO2),可以將常見塑料——高密度聚乙烯(HDPE)“剪”成小分子烷烴片段,所得產物可用于柴油及潤滑油的制備。

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    酶切蛋白質(上)與催化劑“剪”聚合物(下)過程示意圖。圖片來源:Nat. Catal. [2]
    這種新型催化劑整體呈“介孔殼/活性位點/核”結構,鉑納米粒子活性位點位于二氧化硅殼層中介孔的底部(上圖)。高密度聚乙烯長鏈可容易地在孔內移動,不過隨后的逸出卻受到聚合物-表面相互作用的抑制。這與蛋白質底物在蛋白酶催化裂隙中的結合和轉運很類似。如此一來,介孔底部的鉑納米粒子活性位點就可以催化聚乙烯長鏈進行氫解反應,產生鏈長分布窄且可調節的烷烴產物。通過調節催化劑孔徑,分別得到以C14、C16、C18為碳鏈分布中心的鏈烴混合物,為進一步轉化和制造柴油以及潤滑油提供了可能。

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    不同條件下聚乙烯分解產物分布。圖片來源:Nat. Catal. [2]
    可能這些研究都還是實驗室階段的概念驗證,但小編衷心希望這些將塑料垃圾變廢為寶的方法可以早日大規模商業化推廣。想想看,方便的塑料制品不僅不會再污染我們的陸地和海洋,反而可以成為生產燃料和增值碳產品的原料,這該有多好。除了將塑料轉化之外,解決塑料問題的最好辦法是從源頭預防它。2020年1月,我們已經承諾禁止使用一次性塑料了。在不久的將來,我們一定能解決塑料問題,拯救地球環境,給后代一個可持續發展的空間。

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