塑料制品广泛应用于人类生产生活。塑料制品消费量的不断增加不仅造成化石资源的大量消耗，其不恰当的回收处理方式还将加剧环境污染问题。因此，寻求高效经济的废塑料处理方法对于保障可持续发展和环境安全具有重要意义。近日，中国科学院广州能源研究所在聚乙烯加氢裂化制备异构烷烃方面取得新的研究进展，为废聚乙烯低耗、高值化再生提供了理论支撑。
针对聚乙烯（PE）加氢裂化反应机理不清、构效关系不明等问题，该研究选择常用于石油加氢裂化和异构化反应的工业ZSM-22沸石作为催化剂载体，通过球磨法获得m-ZSM-22后采用浸渍法合成Ru/m-ZSM-22催化剂。该催化剂在250℃-3 MPa-6 h反应条件下可实现PE制备液相产率＞80 wt.%。同步辐射测试（图1）表明，金属和氧化Ru物种共存。Ru(101)和RuO2簇氢解反应能垒DFT计算结果（图2）表明，Ru(101)易促进PE内部和末端C-C键的氢解反应；而RuO2簇对PE中间C-C键断裂表现出更高反应能垒，不支持长链烷烃氢解反应。该研究揭示了金属/酸催化PE解构-异构串联反应机理（图3），阐明酸性位点可及性和Ru金属粒径、价态及配位结构的调控机制，指出Ru金属价态调控链烃脱氢-烯烃脱附反应是PE加氢裂化/氢解反应的控制步骤，由此明确了催化过程构效关系，为催化剂优化设计、强化PE解构-异构反应活性提供了基础机制理论支撑。
不仅限于ZSM-22沸石，研究对商用微孔沸石（如丝光沸石）进行同样球磨改性，发现制得催化剂的金属利用率和酸性位点可及性大大提升。小粒径Ru和高酸性位点可及性在提升反应效率、抑制甲烷生成和提高异构率方面具有关键作用。
相关研究成果发表于能源化工领域期刊Chemical Engineering Journal（原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.150332），Energy Conversion and Management（原文链接：https://doi.org/10.1016/j.enconman.2023.117983），SCIENCECHINA Technological Sciences（原文链接：http://engine.scichina.com/doi/10.1007/s11431-024-2701-0），通讯作者为广州能源所袁浩然研究员。
该研究得到中国科学院基础研究领域青年团队项目的资助。
图1. Ru/m-ZSM-22催化剂表征结果
图2. 不同Ru结构表面氢解/加氢裂化反应能垒
图3. Ru/m-ZSM-22催化PE加氢裂化反应路径
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