塑料制品廣泛應用于人類生產生活。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，其不恰當的回收處理方式還將加劇環境污染問題。因此，尋求高效經濟的廢塑料處理方法對于保障可持續發展和環境安全具有重要意義。近日，中國科學院廣州能源研究所在聚乙烯加氫裂化制備異構烷烴方面取得新的研究進展，為廢聚乙烯低耗、高值化再生提供了理論支撐。
針對聚乙烯（PE）加氫裂化反應機理不清、構效關系不明等問題，該研究選擇常用于石油加氫裂化和異構化反應的工業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反應條件下可實現PE制備液相產率＞80 wt.%。同步輻射測試（圖1）表明，金屬和氧化Ru物種共存。Ru(101)和RuO2簇氫解反應能壘DFT計算結果（圖2）表明，Ru(101)易促進PE內部和末端C-C鍵的氫解反應；而RuO2簇對PE中間C-C鍵斷裂表現出更高反應能壘，不支持長鏈烷烴氫解反應。該研究揭示了金屬/酸催化PE解構-異構串聯反應機理（圖3），闡明酸性位點可及性和Ru金屬粒徑、價態及配位結構的調控機制，指出Ru金屬價態調控鏈烴脫氫-烯烴脫附反應是PE加氫裂化/氫解反應的控制步驟，由此明確了催化過程構效關系，為催化劑優化設計、強化PE解構-異構反應活性提供了基礎機制理論支撐。
不僅限于ZSM-22沸石，研究對商用微孔沸石（如絲光沸石）進行同樣球磨改性，發現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效率、抑制甲烷生成和提高異構率方面具有關鍵作用。
相關研究成果發表于能源化工領域期刊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。
該研究得到中國科學院基礎研究領域青年團隊項目的資助。
圖1. Ru/m-ZSM-22催化劑表征結果
圖2. 不同Ru結構表面氫解/加氫裂化反應能壘
圖3. Ru/m-ZSM-22催化PE加氫裂化反應路徑
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