微波驱动的分子活化技术通过低碳塑料回收实现了高效的氢气回收

《Resources, Conservation and Recycling》：Microwave-driven molecular activation enables efficient hydrogen recovery via low-carbon plastic recycling

塑料废弃物微波催化转化为氢气的多级反应机制及环境效益研究，开发了无贵金属纳米催化剂实现52.59 mmol/g氢气产率，较传统热解提升9倍能效，碳足迹仅0.046 kg CO?-eq/kg塑料。

　　

李静琳|胡 Endean|陈凯伦|林莉|常静文|刘凯|赵玉坤|姜建国

清华大学环境学院，北京100084，中国

摘要

塑料消费量的不断增加和废物管理的不足加剧了全球环境压力。本研究开发了不含贵金属的多组分纳米金属催化剂，通过微波催化将塑料废物转化为氢气。该过程产生了大量的气体产物和高纯度的碳纳米管，同时产生的液体副产物极少。氢气的产率为52.59毫米摩尔/克，显著高于传统热解方法，并且能源效率提高了9倍，碳足迹仅为0.046千克二氧化碳当量/千克塑料（GWP???）。这种优异性能源于多层次的反应机制：在分子层面，微波激活了聚合物链中的甲基基团并使对称键排列更加有序，从而在原子层面生成了氢自由基并改变了键的构型；同时，微波还调节了催化剂层间的间距，减少了晶格畸变并增强了表面的离子传输。这些协同效应凸显了微波技术的优势，为塑料废物管理提供了可持续的解决方案，并有助于清洁能源的生产。

引言

全球塑料产量已达到3.53亿吨（图1），与2000年的水平相比翻了一番（Singh等人，2023年）。按聚合物类型划分，大部分塑料废物来自高密度聚乙烯（HDPE）、低密度聚乙烯（LDPE）和聚丙烯（PP）（Cerceo和Singh，2024年；Kounina等人，2024年；Nakatani等人，2020年）（图S1）。聚丙烯因其高刚性、高熔点和相对于其他常见热塑性塑料的极低密度而具有独特优势（Maddah，2016年）。然而，这些结构特性虽然有利于提高性能，却使得回收过程变得复杂。结果，全球只有9%的塑料废物得到了回收，其中聚丙烯的回收率尤其低，仅为0.6%，这加剧了环境中持久性塑料废物的积累（Gandhi等人，2021年）。

热解是一种广泛用于塑料回收的方法，可以产生高价值的产品，如液体油、气体燃料和固体碳（Papari等人，2021年）。然而，由于热解主要是通过传导和对流从表面向内部传递热量（Li等人，2024a），因此需要较长的加热时间，导致能源效率低下，产生的燃料质量也有限（Ren等人，2023年）。微波热解（MP）通过从内部向外部传递热量解决了这一问题（Li等人，2024b），从而获得了比传统热解更高的产率。例如，Jie等人（2020年）发现，当加热方式从传统方法转变为微波热解时，氢气产量从约15%提高到了65%；使用Fe-Al催化剂处理HDPE时，提取的氢气质量超过了理论值的97%。通过对催化剂进行进一步改进，甚至可以从不可回收的塑料废物中获得纯度高达91.5%（体积百分比）的氢气（Wang等人，2022年）。在能量回收方面，微波热解从聚苯乙烯中回收了91.02%的能量，能耗仅为传统热解的1/40（Prathiba等人，2018年）。

许多研究将产率的提高归因于微波诱导的“微热点”效应（Dominguez等人，2007年；Shen等人，2022年）。这是因为微波辐照具有快速且均匀的加热特性，同时热传递阻力较低（Lin等人，2023年）。此外，Wang等人（2024年）指出，微波辐照还能诱导金属释放和等离子体相关效应，进一步增强了反应强度。最近，Yao等人（2025年）提出，通过微波辐照与催化剂的耦合以及氢自由基的迁移和碰撞，可能促进碳氢化合物的裂解。

尽管取得了这些进展，但大多数现有研究主要集中在宏观性能比较或热效应上。然而，微波辐照可能还会引发显著的非热效应，这些效应在分子和原子尺度上影响反应行为。此外，虽然已经使用多种催化剂来改善微波热解条件下的催化性能，但它们与微波的相互作用尚未得到系统研究。这些不足限制了微波-催化剂集成系统的合理设计和优化，也阻碍了微波技术在塑料废物管理中的规模化应用。

本研究通过探讨微波热解与传统热解在处理实际聚丙烯废物时的根本差异，旨在最大化气体产量并减少液体副产物的产生，从而提高经济和环境价值。通过将实验结果与分子动力学模拟相结合，本文阐明了微波在多个尺度上的作用，包括分子层面的激活、原子层面的键振动、自由基层面的氢生成以及表面层面的活性位点形成。研究结果揭示了催化剂结构、加热方式与转化路径之间的复杂相互关系。此外，微波热解不仅技术性能更优，还大幅降低了温室气体排放和能源需求。这些进展符合全球减少塑料废物环境影响、推动循环经济的努力，同时兼顾了可持续塑料管理的技术和生态两个方面。

部分内容摘录

加热方法对Ni-Al-Fe催化剂产物分布的影响

使用多组分纳米金属Ni-Al-Fe催化剂进行微波热解处理聚丙烯废物时，产生了96.79%的高气体产量，氢气产率为52.59毫米摩尔/克（图2a）。PP塑料的热解还产生了3.18%的固体产物，其中99.35%为碳纳米管（CNTs）（图S2）。这些碳纳米管由石墨烯层组成，具有丰富的暴露面和适合催化剂沉积的反应位点（Li等人，2021年）（图S3）。

结论

在微波条件下，塑料转化生成氢气的优异效果凸显了这项技术的优势，这得益于热效应和非热效应的协同作用。将可再生氢气生产与有效的塑料废物管理相结合，这种低碳方法既实现了环境修复，也为全球脱碳目标做出了贡献。需要注意的是，尽管存在原料异质性、微波能量分布不均和反应器耐久性等挑战，

催化剂合成

FeAl₂O₄/NiO/Fe₂O₃催化剂采用溶胶-凝胶法合成（图S12）。前驱体包括Fe(NO₃)₃·9H₂O、Al(NO₃)₃·9H₂O和Ni(NO₃)₃·6H₂O，目标负载分别为Fe 15 wt%和Ni 10 wt%。将这些金属盐溶解在少量去离子水中，然后按1:1的化学计量比与柠檬酸混合（Jie等人，2020年）。混合物在80°C下搅拌直至形成粘稠的凝胶。

CRediT作者贡献声明

李静琳：撰写初稿、数据可视化、软件应用、方法设计、实验研究。胡 Endean：审稿与编辑、概念构思。陈凯伦：结果验证、实验研究。林莉：结果验证、资源准备。常静文：概念构思。刘凯：数据可视化。赵玉坤：结果验证。姜建国：项目监督、方法指导。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金 [项目编号：22376115]和国家重点研发计划 [项目编号：2024YFC3810300]的支持。