塑料生产量自1950年的2百万吨跃升至2022年的4.003亿吨，塑料污染问题愈发严峻。虽然机械回收等传统方法能减少部分废塑料，但大量废塑料依然被填埋或焚烧，带来了严重的环境挑战。近年来，塑料化学回收技术逐渐引起关注，尤其是基于热解的化学回收法。这种方法不需要对废塑料进行复杂的预先分选，通过热解可以将混合塑料分解为多种烃类化合物。这些产物不仅可以作为现有炼化工艺中的原料，还能通过进一步处理制备新塑料。然而，废塑料中的氯元素（Cl），主要来自聚氯乙烯（PVC）的热解，在后续工艺中会引发催化剂中毒和设备腐蚀，因此需要在进一步处理之前将这些氯元素去除。尽管去除塑料热解油中的硫、氮、氧等杂质的研究较多，但针对氯元素去除的研究相对较少。为此，本文深入研究了以Pt/γ-Al2O3为催化剂载体的氢脱氯反应，旨在探索其在塑料化学回收过程中的应用潜力。本研究探讨了以Pt/γ-Al2O3为催化剂，在氢脱氯反应中的性能表现，并揭示其反应机理。研究选用了1,2-二氯乙烷（DCE）作为模型反应物，通过对不同载体的Pt催化剂进行测试，分析其在氢脱氯反应中的活性和稳定性。实验中采用了多种分析手段，包括傅里叶变换红外光谱（FTIR）和核磁共振（NMR）光谱，以研究催化剂表面的化学吸附过程。此外，还通过密度泛函理论（DFT）计算模拟了反应机理，深入探讨了Pt与γ-Al2O3的协同催化作用。研究发现，γ-Al2O3表面的路易斯酸性五配位铝位点（pentacoordinated Al sites）对C-Cl键具有高度活化能力，（图1）而Pt则通过溢出氢（spillover hydrogen）促进氯的去除。这种协同催化机制不仅显著提高了反应活性，还减少了贵金属Pt的用量（<0.1 wt %）。在处理含有高达7500 ppm Cl的塑料热解油时，Pt/γ-Al2O3展现了优异的脱氯效果和催化稳定性，Cl去除率达到96.8%。
图片来源：JACS
本研究通过揭示Pt/γ-Al2O3在氢脱氯反应中的协同催化机制，为塑料化学回收提供了新的思路。与传统的脱氯方法相比，该方法不仅提高了反应的效率，还通过减少Pt的用量降低了催化剂的成本，为工业应用奠定了基础。尤其是在处理实际的废塑料热解油时，Pt/γ-Al2O3展现出的高效稳定性表明其具有很高的实用潜力。在塑料污染问题日益严重的今天，本文的研究成果为实现塑料废物的高效回收和再利用提供了科学依据和技术支持。通过进一步优化和推广这一催化技术，未来有望在工业生产中实现废塑料资源的最大化利用，从而缓解全球塑料污染带来的环境压力。
标题：Catalytic Synergy between Lewis Acidic Alumina and Pt in Hydrodechlorination for Plastic Chemical Recycling
作者：Jin Seok, Nhi Thi Yen Phan, Jeong-Chul Kim, Hyeyoung Shin*, and Minkee Choi*
链接：https://doi.org/10.1021/jacs.4c06231
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