综述：近期在将塑料回收利用为燃料的催化工艺方面取得的进展：这是实现可持续废物管理和能源生产的重要一步

《Fuel》：Recent advancements in catalytic processes for plastic upcycling into fuels: a major step in sustainable waste management and energy production

塑料升级回收通过热催化、光催化和电催化路径实现，有效转化塑料为高价值燃料及化学品，促进循环经济发展。

　　

苏迪普塔·奈亚克（Sudipta Nayak）| 拉贾特·辛格尔（Rajat Singhal）| S.M.A. 哈基姆·西迪基（S.M.A. Hakim Siddiki）| 肯·莫托库拉（Ken Motokura）| 纳维娅·苏布拉伊·巴特（Navya Subray Bhat）| 纳夫尼特·库马尔·古普塔（Navneet Kumar Gupta）

印度科学研究所可持续技术中心，地址：Gulmor Marg, 班加罗尔，卡纳塔克邦 560012，印度

摘要

全球塑料产量的激增和塑料废物危机促使人们开发出可持续且高效的塑料管理和增值策略。传统方法，如焚烧和热解以合成燃料，通常存在效率低下、产生低质量燃料作为副产品以及适用范围有限等问题，无法实现长期可持续发展目标。相比之下，塑料升级转化（upcycling）提供了一种新方案，具有更高的潜力来生产高附加值产品，符合循环经济和资源效率的原则。本文系统地介绍了三种主要催化途径的最新进展：热催化、光催化和电催化，用于将塑料废物转化为燃料。重点介绍了氢解、加氢脱氧和加氢裂化反应，将塑料转化为液态烃类，包括脂肪烃、芳香烃和环状烃。此外，还探讨了通过光重整和光耦合反应将塑料光催化转化为氢气（H₂）、合成气（syngas）和C₁-C₂含氧化合物（例如甲酸和乙酸）。同样，也介绍了使用不同耦合电解系统进行电催化升级转化以生产氢气和C₁-C₂含氧化合物的方法。本文讨论了每种催化过程的基本原理和最新进展，重点关注催化剂设计策略和产品分布。通过将这三种催化方法整合到一个框架中，本文为致力于推进塑料废物可持续升级转化成燃料的研究人员提供了重要资源。

引言

塑料是一类多功能合成和半合成聚合物材料，具有精确成型、优异的适应性、耐用性和可加工性。合成塑料的出现为无数应用打开了前所未有的可能性，因为它能够进行挤出、模制、铸造、纺丝和涂层等加工[1]、[2]。它在医疗保健、航空航天、能源和可持续技术领域取得了突破性进展。塑料主要通过来自石油化学品原料（如原油或天然气）的单体聚合制成，其生产过程中会添加各种化学添加剂以增强性能和功能[3]。塑料产量显著增长，从200万公吨（MMTs）增加到2023年的4.14亿公吨[4]。预计这一趋势将持续下去，到2026年塑料产量将达到惊人的12亿公吨，凸显了这种材料在现代工业中的不可或缺的作用[4]。根据化学性质，塑料可分为几类：聚烯烃（POs）是最广泛使用的石油衍生聚合物，占全球聚合物产量的75%以上，包括聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）和聚苯乙烯（PS）[5]；聚酯（PES）是第二大塑料类别，以其耐用性、可加工性和成本效益著称，包括聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚乳酸（PLA）、聚（3-乙烯-2,5-呋喃二羧酸）（PEF）和聚羟基丁酸酯（PHB）[6]；聚酰胺（如尼龙-6和尼龙-6,6）由重复的酰胺键组成，具有高强度、耐磨性和热稳定性；聚氨酯（PU）包括热塑性PU和氨纶，由脲键（–NH(CO)O）组成[7]；聚醚（Polyether）的骨架由醚键（O）构成，包括聚乙二醇（PEG）和聚醚醚酮（PEEK）[8]。此外，许多其他塑料，如聚碳酸酯（PC）、聚酰亚胺（Polyanhydrides）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）和氟聚合物，也表现出极强的化学惰性和热稳定性，可用于多种工业应用[1]。

过去一个世纪，塑料的生产遵循“资源-单体-产品-废物”的模式，带来了显著的经济效益。然而，这也带来了严重的环境挑战：塑料废物的积累。全球塑料产量的快速增长令人担忧，因为大量塑料被填埋或污染自然生态系统，60%的塑料被丢弃在垃圾填埋场[9]。2020年，全球一次性塑料制品的消费量约为每月690亿件，其中约50%最终进入垃圾填埋场。据估计，海洋中有超过1.5亿公吨的塑料，每年还有800万公吨的新塑料进入海洋环境。2015年，传统塑料相关的温室气体排放量为17亿吨（GT）二氧化碳（CO₂），预计到2050年这一数字将增加近四倍，达到65亿吨（GT），由于塑料需求的增加和回收基础设施不足，这可能占全球碳排放量的15%[4]。然而，缺乏高效和可持续的废物管理方案仍然是一个关键挑战[4]。

传统的塑料废物管理方法，如填埋、焚烧、热解、回收和降级转化（downcycling），各有环境和经济上的优缺点[10]。焚烧可将塑料废物转化为能源[11]；热解则可以在无氧环境中将塑料热分解为有用的燃料和化学品[12]。尽管这些传统方法被广泛使用，但它们面临可持续性挑战，因此需要开发先进的催化升级转化方法。传统回收方法仅能回收10%的塑料，远不足以应对不断增长的塑料废物量[13]、[14]。已有许多综述讨论了传统塑料废物管理的优缺点[15]、[16]、[17]。此外，回收，特别是机械回收，对某些聚合物（如PET）有效，但由于材料性能下降而受到限制[18]、[19]。降级转化是指将塑料转化为低价值产品，如建筑材料[20]。这一过程由于强度、透明度和其他固有性质的损失过多，无法实现闭环回收。鉴于这些限制，近年来升级转化成为一种有前景的策略，可将塑料废物转化为高价值化学品、燃料和功能性材料，为循环经济做出贡献，同时减少环境污染和传统塑料废物管理的缺点（图1）[21]、[22]。

总体而言，塑料升级转化过程可分为多种催化方法，主要分为：（i）热催化、（ii）光催化和（iii）电催化方法，或这些方法的组合（图2）。例如，聚烯烃（POs）的加氢裂化和氢解可产生适合用作燃料、蜡和润滑剂的烃类[23]、[24]；光催化和电催化转化可生成燃烧气体（如氢气（H₂）、合成气和不同的C₁-C₂含氧化合物。每种方法都有独特的优势、不同的反应机制、催化剂和操作条件，以实现高效的塑料转化。除了环境效益外，升级转化还通过创造不同的可持续工业实践和减少与塑料生产和废物管理相关的碳足迹带来经济机会，直接支持全球可持续发展目标，包括保护自然资源、减少废物积累和促进传统塑料产品的绿色替代品的发展。

部分内容摘录

关于先前综述的简要讨论及本综述的范围

Web of Science（Clarivate分析）显示，关于塑料升级转化的出版物（文章、综述和专利）总数（图3）。由于聚烯烃（POs）和聚酯（PES）的广泛应用，相关文献参考文献数量远超过其他所有塑料类别之和[25]。此外，还有许多研究文章探讨了其他类型塑料的升级转化，包括聚氯乙烯（PVC）、聚氨酯（PU）等。

热催化升级转化

热催化升级转化是指在催化剂存在下，利用热能将塑料废物转化为较小、高附加值的化学品或燃料的过程。催化剂通过降低反应物的活化能来促进反应物向产物的转化[55]、[56]。理解热催化升级转化的机制路径需要考虑热力学和动力学两个方面。

光催化升级转化

近年来，光催化转化塑料为燃料和高附加值化学品得到了深入研究。与需要高能量输入且常产生复杂产物混合物和有毒副产品的传统热解或热解过程不同，光催化能够在温和、对环境友好的条件下选择性转化塑料（图11a）[236]、[237]、[238]。聚烯烃（POs）和聚酯（PES）等塑料可以通过光催化升级转化获得高附加值产品。

电催化升级转化

电催化升级转化也可以利用电化学反应将塑料转化为高附加值化学品或燃料。它能够在相对温和的反应条件下转化塑料，主要将解聚的塑料转化为高附加值产品[282]、[283]。

技术经济性和生命周期分析

TEA（技术经济性分析，Techno-Economic Analysis）是一种系统方法，用于评估通过不同催化过程将塑料废物转化为燃料、化学品或其他高附加值产品的经济可行性。在塑料升级转化为燃料的过程中，TEA评估催化剂效率、反应性能、工艺设计和总体成本结构，从而估算关键经济指标，包括最低销售价格（MSP）、资本支出（CAPEX）、运营支出（OPEX）和能源强度。

结论与未来展望

塑料因其实用性和多功能性在现代社会中变得不可或缺。然而，不良的塑料废物管理导致了严重的环境问题，迫切需要解决这一问题，因为塑料污染在全球范围内扮演着重要角色。传统的回收和处理方法已不足以应对全球塑料废物问题。将塑料催化转化为燃料是一种有前景的方法，有助于缓解相关问题。

CRediT作者贡献声明

苏迪普塔·奈亚克（Sudipta Nayak）：撰写——综述与编辑、初稿撰写、资料整理。拉贾特·辛格尔（Rajat Singhal）：撰写——综述与编辑、资料整理。S.M.A. 哈基姆·西迪基（S.M.A. Hakim Siddiki）：撰写——综述与编辑、资料整理。肯·莫托库拉（Ken Motokura）：撰写——综述与编辑、资料整理。纳维娅·苏布拉伊·巴特（Navya Subray Bhat）：撰写——综述与编辑、初稿撰写、资料整理、概念构思。纳夫尼特·库马尔·古普塔（Navneet Kumar Gupta）：撰写——综述与编辑、监督工作、资金筹集、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

NKG感谢印度科学研究所提供的资源和支持。RS感谢科学技术部（DST）Inspire（IF230308）提供的博士学位奖学金。