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曾杰团队最新Angew:甲醇辅助脱聚法,实现聚苯乙烯高价值转化

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第一作者:Lin Zeng

通讯作者:曾杰,李洪良

通讯单位:中国科学院合肥物质科学研究院,中国科学技术大学

成果速览

本研究提出了一种通过甲醇辅助脱聚法(PS-MAD)从聚苯乙烯(PS)中回收有价值的烷基苯的新方法。聚苯乙烯作为一种主要的塑料聚合物,产量从1950年的150万吨增加到2019年的3.68亿吨,而回收率却不到1%。大量的聚苯乙烯废物最终被填埋,占据了全球垃圾填埋场内容物的约三分之一,并且在自然环境中分解极其缓慢,可能需要数千年的时间。

为了解决这一环境问题,本研究开发了一种新的化学回收策略,通过在Ru/SiO2催化剂的作用下,使用甲醇作为氢供体,将PS转化为烷基苯。在280°C下反应6小时,PS-MAD方法能够实现93.2%重量百分比的液体产品产率,这些液体产品中84.3%为有价值的烷基苯。

此外,该方法还避免了苯环的加氢反应,减少了由聚环芳烃和聚苯烯产生的副产品。通过机理研究,发现甲醇分解在PS-MAD过程中提供了主要的氢供应,从而抑制了PS的芳构化过程。

图文导读


图1 展示了PS-MAD方法与传统的氢解和热解方法相比,在液体产品和残留物的质量上的优势。通过GC-MS和GC-FID技术,对产物进行了鉴定和定量分析。


图2 显示了在不同反应时间和不同反应温度下,PS-MAD过程中C1产物的产率以及液体产品和残留物的质量。此外,还展示了对商用PS废弃物进行PS-MAD处理的实验结果。


图3 提供了PS-MAD反应途径的示意图,包括甲醇分解、PS氢解和PS碳骨架的芳构化三个主要路径。


图4 通过使用氘代甲醇进行的PS-MAD动力学研究,揭示了反应过程中氢的来源。

亮点介绍

1. 高效转化:PS-MAD方法能够在较低温度下高效地将PS转化为有价值的烷基苯,液体产品产率高达93.2%。

2. 高选择性:该方法能够以高选择性(84.3%)生成有价值的烷基苯,避免了苯环的加氢反应。

3. 低能耗:与传统的高温热解和氢解方法相比,PS-MAD方法在较低的反应温度下进行,有望降低能耗。

4. 催化剂稳定性*:Ru/SiO2催化剂在连续反应中显示出高稳定性,保持了良好的活性和选择性。

5. 实际应用潜力:研究还证明了PS-MAD方法对商用PS废弃物的有效处理,显示出该方法的实际应用潜力。

高端表征

在本论文中,作者使用了多种高端表征技术来深入研究PS-MAD过程中的催化剂特性和反应机理。

透射电镜:通过使用高角环形暗场扫描透射电镜(HAADF-STEM),作者对新鲜催化剂和经过三次循环反应后的催化剂中的Ru纳米粒子进行了形貌和尺寸的分析。结果表明,Ru纳米粒子的平均直径在经过三次循环后有所增加,这可能对催化性能产生影响。

同步辐射:在研究PS-MAD过程中,作者利用同步辐射光离子化质谱(SR-PIMS)技术,直接确定了氘代甲醇辅助氢解过程中产生的氢的来源。通过分析甲烷的氘化比例,证实了大部分活性氢物种来源于甲醇的分解,而非PS的芳构化过程。

文献信息

标题:Recycling Valuable Alkylbenzenes from Polystyrene through Methanol-Assisted Depolymerization

期刊:Angewandte Chemie

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