近期，美國科學家成功研發出一種突破性的金屬催化劑，有望徹底改變全球塑膠回收方式。這項創新技術能有效分解頑固的聚烯烴塑膠，將其轉化為具備經濟價值的油、蠟、燃料等有用物質，大幅減少了繁瑣的預先分類步驟。
因為聚烯烴類塑膠穩定的化學鍵，其傳統回收過程較為複雜，通常需要先粉碎成薄片或粉末，並將材料升溫至400°C到700°C，才能與氫氣和貴金屬（鉑、鈀、釕和錸）催化劑發生作用，使材料分裂成更小、更有用的碳氫化合物。
另外，不同類型的塑膠具有不同的特性、熔點，往往需要人工或機器進行仔細的篩選分類，才能進入下一步的回收再利用環節。一旦混入少量的其它種類塑膠、食物殘渣或非塑膠材料，都可能導致回收塑膠變成廢料或品質不佳的次品，嚴重影響回收效率和產品價值。
為了解決這些痛點，這次美國西北大學（Northwestern University）的研究團隊開發出了一種新型且廉價的鎳基催化劑。它可以選擇性分解由聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）組成的聚烯烴塑膠，將其轉化為高價值的液態油、蠟及其它燃料產品，且有望大幅提升塑膠回收再利用的效率和規模。
這種新工藝不僅大幅簡化了混合塑膠垃圾的分類工作，還大幅提升了塑膠回收的速度和品質，同時降低了環境污染問題。這項研究成果於9月2日發表在《自然化學》雜誌上，同時有近20家科學媒體業者進行了報道。
西北大學的研究團隊使用鎳化合物合成Ni（COD）2（COD，1,5-環辛二烯）與硫酸化氧化鋁（AlS）融合，形成高親電性的預催化劑AlS/Ni（COD）2，之後在200°C的溫度與氫氣（H2）作用下轉化成活性催化劑AlS/NiIIH。
研究團隊發現，這種新型鎳基催化劑擁有單一、精確定義且獨立的活性位點，其活性與穩定性要優於其它鎳基催化劑。它能夠像「手術刀」一樣，優先切割聚烯烴類塑膠內穩固的碳-碳鍵，從而有效破壞塑膠的整體結構。
研究人員使用AlS/NiIIH對聚乙烯（PE）和等規聚丙烯（PP）混合物進行氫解分離實驗。結果顯示，它對輕質烷烴的轉化率達99.5%，即使在支鏈聚烯烴（聚丙烯）與其它種類塑膠混合的情況下，該催化劑也可以有效且選擇性地進行分解工作。
更令研究人員驚訝的是，這種新型的鎳基催化劑具有極高的熱穩定性、化學穩定性，即使暴露於含有聚氯乙烯（PVC）塑膠材料（管道、地板和醫療器械）的環境中，也能抵禦PVC塑膠分解產生的腐蝕性物質繼續反應。
他們還發現，PVC塑膠不僅沒有降低這款鎳基催化劑的活性，反而還加速了其活性和反應速率。即使回收塑膠中混有高達25%的PVC塑膠，AlS/NiIIH催化劑依然能發揮更高的性能。
對此，研究人員解釋，AlS/NiIIH催化劑中的AlS能夠有效清除PVC塑膠分解時產生的鹽酸氣體，從而保護活性鎳位點不受腐蝕。
儘管新型的鎳催化劑表現出優異的穩定性，但它仍然對空氣敏感，容易在空氣的作用下失去活性。為了讓這款催化劑重複再利用，研究人員發現使用廉價的烷基鋁（AlEt3）進行簡單處理，能讓其恢復90%以上的活性，真正達到循環再利用的目標。
研究人員對此指出，過去在回收混合物中添加PVC塑膠，一直是被禁止的動作，原因是PVC塑膠不僅會導致回收塑膠變成「不可回收」的廢料，其分解後會產生腐蝕性強的鹽酸（HCl）氣體，還會破壞催化劑的活性和腐蝕設備。
他們還表示，這次實驗成果超乎想像，證明這款鎳基催化劑能克服PVC塑膠污染的難題，讓整個塑膠回收變得更加容易和有效。這對於全球聚烯烴塑膠的回收具有里程碑意義，因為全球聚烯烴類型的塑膠產品大都被廢棄、掩埋或焚燒，其中只有不到10%被有效回收。
該研究的資深作者、西北大學的溫伯格文理學院（Vladimir N. Ipatieff）催化化學教授托賓·馬克斯（Tobin Marks）對該校的新聞室表示，「我們開發的新催化劑可以大致繞過昂貴且勞動密集的塑膠分類步驟，使回收比現有策略更有效率、更實用和經濟。」
論文的共同通訊作者、西北大學的化學助理教授約西‧克拉蒂什（Yosi Kratish）表示，「沙律醬的擠壓瓶、牛奶壺、保鮮膜、垃圾袋、一次性餐具、果汁盒等日常用品都是聚烯烴製成的。它們不僅壽命短且大多是一次性的產品。如果我們沒有有效的回收方法，它們將在環境中降解成有害的微塑膠。」
克拉蒂什接著說，「由於聚烯烴每個鍵都非常堅固，幾乎沒有任何薄弱環節且化學性質不活潑，我們一直在尋找一種巧妙的方法，以便用最少的能量獲得價值最高的產品。」
他解釋道，「我們的製程採用單點鎳催化劑，與其它鎳基催化劑相比，其操作溫度降低100°F（約38°C）、所需要的氫氣壓力降低了一半，且催化劑的使用量減少了10倍，但活性卻提高10倍。整個結果可以說是相當成功。」
該研究得到了美國能源部（獎勵編號DE-SC0024448）和陶氏化學公司（Dow Chemical Company）的支持。#
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