《Chinese Journal of Catalysis》：Rational design of bifunctional catalysts for hydrocracking of polyethylene waste plastics to narrow-distributed liquid fuels
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双功能催化剂调控废聚乙烯加氢裂解中金属-酸协同作用及产物分布优化研究
作者：Zhe Ma、Chenzhao Wang、Peng Xu、Xin Zhou、Xiang Feng、De Chen
中国石油大学重油加工国家重点实验室，山东青岛 266580
摘要
将废弃聚乙烯升级为具有窄分子量分布的液体燃料，对于推动循环经济发展具有巨大潜力。与热解和催化裂化相比，使用双功能催化剂进行加氢裂化具有明显优势，如更低的反应温度、更高的产品饱和度、减少的二氧化碳排放以及有效的杂原子去除。这些优势使其成为塑料废弃物增值的一条极具前景的途径。然而，复杂的反应机制阻碍了人们对结构-性能关系的清晰理解。因此，针对特定目标产品优化催化剂的合理设计与合成仍然是一个关键挑战。本综述重点讨论了在聚乙烯加氢裂化过程中双功能催化剂微观结构（包括金属分散、金属活性、酸活性和金属-酸距离）的精确调控，并进一步阐明了催化剂与产品选择性之间的结构-性能关系。为了更好地理解催化剂设计策略，首先介绍了双功能催化剂上的加氢裂化机制。接下来，将介绍研究进展，以了解双功能催化剂的金属位点和酸位点。同时，还将研究双功能催化剂的加氢裂化活性，以展示金属-酸平衡。最后，提出了双功能催化剂在聚乙烯加氢裂化系统中的当前挑战及未来优化、精确设计和实际应用前景。
引言
塑料材料因其轻质、低成本、强塑性和低导热性而在农业、交通、医疗用品和日常生活中得到广泛应用[1, 2, 3]。特别是聚乙烯（PE），在薄膜、管道、包装等领域产量最大[4, 5, 6]。然而，聚乙烯塑料的寿命较短且自然降解速率较低，导致大量塑料废弃物产生，从而引发严重的环境问题[7, 8, 9]。过去几十年中，大部分聚乙烯废弃物通过填埋或焚烧处理，这会破坏自然环境并危害人类健康[10, 11, 12]。近年来，聚乙烯的化学回收已成为一种更加环保和可持续的方法[13, 14, 15]。
已经报道了多种聚乙烯的化学转化方法，包括氧化降解[16, 17, 18]、光催化[19, 20, 21]、热催化[22, 23, 24]、催化裂化[25, 26, 27]和加氢裂化[28, 29, 30]。聚乙烯废弃物的加氢裂化是指在氢气存在下将其转化为高价值液体产品（异烷烃、环烷烃和芳香烃等）[31, 32]。氢气的辅助有助于降低反应温度（< 300 °C），使反应在较温和的条件下进行[33]。在这种系统中，双功能催化剂由酸位点和金属位点组成。酸位点有利于碳-碳键的断裂，将长链烃转化为低碳数烃。而金属位点则有效加速中间产物的解离，防止进一步断裂，从而提高产品的饱和度[34, 35]。因此，聚乙烯的加氢裂化在降低反应温度、选择性产生产物、抑制二氧化碳排放和去除杂原子方面展现出巨大潜力，被认为比其他化学回收方法更为高效、环保和清洁[36, 37]。
在本综述中，我们将重点关注聚乙烯加氢裂化中的双功能催化剂。首先介绍双功能加氢裂化机制的详细内容。然后，全面回顾用于聚乙烯加氢裂化的双功能催化剂（见表1，其中列出了各种双功能催化剂的性质及其相应的性能）。特别是为了解决加氢裂化过程中产品分布范围宽且难以精确控制的问题，我们总结了近期文献，并将双功能催化剂的设计思路和策略归纳为四个关键方面：金属分散、金属活性、酸活性和金属-酸距离。通过基于这四个方面优化双功能催化剂，可以获得窄分布的液体燃料。最后，我们将总结双功能催化剂在聚乙烯加氢裂化中的当前挑战及未来优化、精确设计和实际应用前景，并对其发展趋势进行展望。我们希望本综述能帮助研究人员更好地理解双功能催化剂和加氢裂化机制，促进其合理设计，以获得所需的液体燃料产品。
加氢裂化机制
与热裂化和催化裂化相比，聚乙烯的加氢裂化在较低温度下进行，生成的烃类具有更窄的分子量分布。虽然聚乙烯加氢裂化的产品分布取决于原料、催化剂和反应条件（例如温度、压力和时间），但液体燃料的选择性主要由具体的反应机制决定[38, 39]。
聚乙烯加氢裂化的经典机制...
双功能催化剂的设计与优化
催化剂在聚乙烯加氢裂化中起着关键作用。如上所述，需要同时具备酸位点和金属位点的双功能催化剂。通常，实现显著的转化率、高产率和优质液体产品需要同时具备酸功能以及加氢-脱氢功能[13, 43, 44]。通常，裂化和异构化反应发生在酸位点上，而金属位点则负责...
结论与展望
随着聚乙烯废弃物问题的日益复杂，加氢催化升级成为实现可持续、零污染未来的关键途径。与单功能加氢裂化和热解相比，基于金属和酸位点的双功能加氢裂化在催化效率和生产高价值液体燃料（如汽油、柴油、石脑油等）方面具有明显优势[84]。金属位点与酸位点之间的系统相互作用...
作者贡献
本手稿由所有作者共同完成。
注释
作者声明没有竞争性财务利益。
电子支持信息
支持信息可在本文的在线版本中找到。
周欣
（中国海洋大学化学工程系）
2020年在中国石油大学（华东）获得博士学位。目前担任中国海洋大学化学与化学工程学院化学工程系的副教授。他的研究重点在于人工智能与化学工程的交叉领域，以及化学过程的数字化和智能化。他的主要研究兴趣包括：
