全球塑料消费量激增，塑料废物的管理成为重要的环境问题。其中，聚对苯二甲酸乙二酯（PET）广泛用于塑料瓶的生产，构成了塑料废物的主要部分。PET回收一直面临高成本和低效率的问题。针对以上问题，伦敦大学学院唐军旺院士团队报道了利用微波催化醇解法将PET塑料回收至单体的研究成果。本研究使用微波与Mn/ZnO催化剂，乙二醇（EG）作为溶剂，在175°C的条件下，仅需使用0.4wt%的催化剂，即可在5分钟内将PET完全降解成单体对苯二甲酸乙二醇酯（BHET），选择性高达88%。这一方法的关键在于催化剂提供的额外反应位点以及微波辐射的快速加热作用。同时，催化剂的非均相性质有助于分离和再利用，降低了成本，促进了废弃PET回收的可持续性。这项研究提供了一种创新、可持续的PET回收方案，有助于实现循环经济，减少塑料废物对环境的影响。

图文解读

图1 | 微波醇解PET的过程

PET塑料废物的回收一直面临高成本和低效率的问题，该团队研究人员通过使用微波与高性能的催化剂协同作用，使用化学醇解法高效降解回收PET塑料，将高分子聚合物分解为其原材料的BHET单体，选择性高达88%，如图1所示。而高纯度的BHET单体可重新聚合为高品质的再生PET塑料，这一过程可以真正实现废弃PET塑料的回收到再生，进而转化减少化石能源的使用。利用微波独特的热效应，配合高性能的纳米催化剂，每批次废弃PET塑料能够在数分钟内完成解聚，降解速率相比传统加热提高近百倍，经过简单的分离提纯，目标产物BHET单体纯度超过99%，可直接用于再生PET塑料的生产，完美实现了低耗能高转化的目标。反应中所使用的固体催化剂与溶剂乙二醇均可重复利用，节约成本的同时也不会造成环境污染。

图2 | (a) ZnO上使用不同金属助催化剂对PET的转化率和BHET产率的影响。(b) 不同Mn负载量对PET降解的影响。(c) 在使用10 wt % Mn/ZnO时反应温度对结果的影响。(d) 在使用10 wt % Mn/ZnO时反应时间对结果的影响。(e) 催化剂与PET塑料的质量比对结果的影响。(f) EG与PET的质量比对结果的影响。

在研究过程中，图2 (a)显示多种金属助催化剂被负载在ZnO上，并用于微波催化醇解PET塑料。PET的转化率与单体BHET的选择性大小顺序为Mn/ZnO > Ni/ZnO > Cu/ZnO > Fe/ZnO > ZnO。这种活性物质的作用机制将在后面进行研究。在确定好合适的助催化剂后，反应条件被进一步优化，如图2 (b-f）所示，助催化剂的负载量、反应温度、反应时间、催化剂与PET塑料的质量比、以及溶剂EG与PET塑料的质量比作为反应条件被研究。最终，在最优反应条件下，催化剂与PET塑料的质量比被设定为0.4wt%，溶剂EG与PET塑料的质量比为10：1，10wt% Mn/ZnO在175°C的反应温度下5分钟便实现了100%的PET转化率及88%的BHET选择性。

图3 | (a) 10 wt% Mn/ZnO 在五个循环下的稳定性测试。(b) 在油浴加热下使用 10 wt% Mn/ZnO 时 PET 的转化率和 BHET 的产率随反应时间的影响。

在催化剂的稳定性实验中，Mn/ZnO在五个循环内表现出极好的稳定性，结果如图3(a)所示。同时，传统油浴加热法醇解PET作为微波加热法的对照实验被引入研究，结果如图3(b) 所示。相比微波加热法在5分钟实现100%的PET转化率与88%的BHET选择性，传统加热法为实现相似的转化率和产率需要进一步提高反应温度至185°C并延长反应时间至8小时，这表明微波加热法大幅提高了反应的速率。

图4 | 微波醇解PET塑料的机理研究

鉴于微波催化醇解PET的高效性，反应机理被进一步研究。通过对比反应前后催化剂Mn/ZnO的XPS图谱，助催化剂Mn被证明在反应中提供了大量活性位点，与反应物配合形成过渡态，如图4所示，这促进了大分子的PET长链被快速解聚为小分子的多聚物、二聚物、以及单体。同时，助催化剂Mn与ZnO结合形成不规则的结构，进而改变其介电性质，使其成为具有良好微波吸收能力的催化剂。在微波的协同作用下，催化剂在体系中被选择性的加热至高温，从而实现远高于传统加热法的反应速率。

总结