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“陽光+塑料=氫氣”? 塑料垃圾“曬一曬”就變寶!

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中國“強制使用再生塑料”時代第1展

2025年9月2日·浙江寧波,點擊上圖報名ChinaReplas大會


摘要:聚乳酸(PLA)塑料的高效回收受到諸如產品與雜質和添加劑的分離以及PLA在環境溫度下緩慢水解等挑戰的阻礙。在這項研究中,引入了一種結合光驅動光熱解聚和重整的集成方法來克服這些限制。利用這種方法,商業PLA顆粒幾乎完全轉化為易于分離的H2(20.7 mmol/gsub),CO(6.9 mmol/gsub)和CH4(8.2 mmol/gsub),與CO2(14.5 mmol/gsub)作為主要成分,受控實驗表明,脫羧和光重整反應將是H2和這種氣態C1的主要過程此外,光熱回收系統對現實生活中的PLA餐具和吸管表現出優異的性能,突出了其廣泛的適用性和實用潛力,這項工作為回收現實生活中的PLA塑料提供了一種可持續和高效的解決方案,以獲得高需求且易于分離的H2和氣態C1產品。


研究背景

環保材料聚乳酸(PLA)廣泛應用于一次性餐具、包裝、3D打印等領域。它的最大賣點是“可降解”,但現實并不那么美好:

  • 在理想堆肥條件下,完全降解需要3到6個月;

  • 在土壤中要幾十年,在海水中幾乎降解不了;

  • 降解后只是變成二氧化碳和水,本質上等同于焚燒,造成碳資源浪費。

換句話說,PLA雖然比傳統塑料環保一點,但還遠遠談不上“完美解決方案”。如何既能環保又能“把塑料的碳用起來”,成為業界關注的焦點。

研究方法

解決方案:光+熱雙驅動,PLA變身氫能資源

本研究團隊提出了一種光熱協同回收技術,用一句話總結就是:

曬一曬PLA塑料,直接變成氫氣、甲烷等高價值氣體。

具體操作如下:

  1. 催化劑選擇:使用負載鉑的二氧化鈦(Pt/TiO?);

  2. 能量來源:主要依靠模擬陽光(氙燈)照射帶來的光熱;

  3. 反應條件:將PLA粉末在200°C條件下反應4小時;

  4. 產物回收:氣體產物直接收集,無需復雜分離工藝。


實驗方法簡述:從結構設計到系統搭建
  1. 催化劑制備:用還原法合成Pt/TiO?,鉑顆粒均勻分布,粒徑約5.5 nm,增強光吸收與熱導率。

  2. 模擬光源:使用氙燈照射樣品,光強可調,最高溫升至242°C。

  3. 反應器設計:自制密閉反應器,控制水蒸氣環境,模擬實際“蒸汽+太陽”場景。

  4. 測試材料:商用PLA顆粒、PLA吸管和PLA餐具粉碎物。

研究結果關鍵結果與發現:氫氣產率達20.7 mmol/g,氣體產物全可用!

  1. PLA轉化率:在200°C溫度下,PLA幾乎100%分解;

  2. 產氣分布(每克PLA):

  • 氫氣:20.7 mmol

  • 一氧化碳:6.9 mmol

  • 甲烷:8.2 mmol

  • 二氧化碳:14.5 mmol

氣體純凈易分離:幾乎無液體副產物,避免了雜質帶來的分離成本;

適應性強:即使是含有添加劑的“真實垃圾”——吸管和餐具,也能高效產氣;

反應機制清晰

  • PLA首先被水解成乳酸;

  • 乳酸脫羧生成乙醛與乙酸;

  • 最終在催化劑作用下生成氫氣、CO和CH?。

圖文解析


圖1.(a,B)Pt/TiO2的HAADF-STEM圖像和相應的Ti,O和Pt元素映射;(c)Pt/TiO2的TEM和(d)HRTEM圖像,直方圖是Pt/TiO2上Pt納米顆粒的相應粒度分布


圖2.(a)在各種光強度(0.97、1.32和1.71 W/cm2)的白熾燈照射下,TiO2和Pt/TiO2的時間依賴性溫度曲線;(b)在紫外-可見(UV-Vis)光照射和各種反應溫度(160,180,200和220度);(c)各種負載Pt的光催化劑的XRD圖案;(d)在反應4小時后,在UV-Vis光照射下,在200 ℃下,商業PLA顆粒在各種負載Pt的光催化劑上的光熱重整性能


圖3.(a)在200 °C下反應2、4和10小時后,在UV-Vis光照射下,商業PLA顆粒在Pt/TiO2上的光熱重整性能;(b)在200 ℃下,在UV-Vis光照射下,反應4小時后,在Pt/TiO2上,在沒有PLA的情況下或在加入商業PLA顆粒、LA和預處理的PLA的情況下的光熱重整性能;(c)在Pt/TiO 2上,在白熾燈照射下PLA的集成光熱解聚和重整的示意圖


圖4.(a)Pt/TiO2催化劑上PLA顆粒的光熱轉化性能;(b)在200°C下反應4小時后的商業PLA顆粒的光熱重整性能,所述商業PLA顆粒沒有任何催化劑或具有裸TiO2或Pt/TiO2,上圖中的誤差條表示來自三個獨立實驗的標準偏差;(c)Pt刺激的重整的建議反應機理;(d)TiO2和Pt/TiO2樣品的瞬態SPV光譜


圖5.(a)真實PLA塑料(即PLA餐具和吸管)及其相應粉末的數碼照片;(b)在200 °C下反應4 h后,在UV-Vis光照射下,真實世界PLA塑料在Pt/TiO 2上的光熱重整性能;(c)H2和氣態C1產物的氣相色譜的相應熱導檢測器(TCD)信號

5

總結

這項研究最大突破在于將塑料回收過程“氣體化”與“陽光化”。過去PET回收更偏向機械粉碎和再造?;蚧瘜W溶解再聚合,這兩種方式都存在高能耗或產品質量下降問題。而該研究提出的新方向——光熱聯合+氣體產物輸出,不僅免去了高純回收的需求,還能讓塑料變成能源載體,尤其是氫氣這種“碳中和主角”。對PET行業而言,這種方法提供了一種不同維度的回收價值變現模型:不是為了再造塑料,而是變廢為寶造能源。當然,要真正落地,還有反應設備規?;?、催化劑成本控制等現實挑戰,但其理念值得PET循環技術體系重點關注和延伸。

(文章來源:Science China Chemistry,點擊閱讀原文可查看原始文獻)

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6

Chem-Replas2025第三屆廢塑料化學循環論壇(熱裂解方向、溶解、非PET解聚)

主題:成熟的技術與成功的項目


2025年9月3-5日·浙江寧波

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