《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Microwave-assisted catalytic decomposition of polyetherimide with a focus on hydrogen and high-value hydrocarbons production
编辑推荐：
微波辅助催化裂解聚醚酰亚胺（PEI）的研究表明，采用活性炭（AC）与金属氧化物（如Fe?O?）复合催化剂可在400°C、10分钟内实现高效裂解，产氢量达20 mmol/g（占PEI氢含量76%），并同步回收芳香烃（如苯、邻二甲苯）及蜡油等高附加值产物，验证了该技术作为化学回收高性能热塑性塑料的可行性。
米哈尔·瓦斯蒂尔（Michal Vastyl）|约瑟芬·M·希尔（Josephine M. Hill）|帕维尔·莱斯廷斯基（Pavel Lestinsky）
奥斯特拉瓦技术大学（VSB – Technical University of Ostrava），环境技术学院（CEET），环境技术研究所，地址：17. listopadu, 2172/15, 708 00 奥斯特拉瓦，捷克共和国
摘要
本研究探讨了聚醚酰亚胺（PEI）在微波辅助下的催化热解过程。选择活性炭（AC）、石油焦、石墨、碳化硅以及负载在活性炭上的氧化物（Fe?O?、Fe?O?、Al?O? 和 ZnO）作为微波吸收剂和/或催化剂，以确定不同类型的微波吸收剂/催化剂对分解过程的影响。实验在400 W的微波功率下进行，对应平均温度为400°C，持续时间为10分钟，实验环境为氩气氛围。处理后PEI完全分解，产物分为气态、液态、蜡状和固态，其中气态产物占主导。使用AC-Fe?O?催化剂时，气体产率和氢气产量最高，达到每克PEI 20 mmol氢气，占PEI氢含量的76%。不添加金属氧化物时，产物主要以蜡状形式存在；而添加金属氧化物后，产物分布向气态和/或芳香族化合物（尤其是甲苯）方向偏移。催化剂由于碳沉积、碳载体降解和/或金属氧化物还原而失活。这些结果表明，微波辅助的催化热解方法能够生成氢气并回收芳香族烃类（如甲苯、苯乙烯和萘），显示出其在高性能热塑性塑料化学回收领域的潜力。
引言
塑料广泛应用于日常生活中的包装、电子、交通、工业机械和建筑等领域。虽然塑料具有长使用寿命和耐无机溶剂的特点，但这些特性也导致其难以在环境中降解。化学回收已成为减少垃圾填埋和处理塑料废弃物中能量回收的重要策略[1]、[2]、[3]。全球大多数塑料仅由碳和氢组成。然而，高性能热塑性塑料需要引入氮、氧等杂原子到聚合物结构中，以获得更好的热稳定性、化学耐性、绝缘性能、杀菌能力和耐磨性[4]。聚醚酰亚胺（PEI）是一种典型的高性能热塑性塑料，在惰性气氛中于400至600°C之间分解[5]。传统加热方法得到的产物价值较低，主要为固体残渣（占比高达50%）。通过在约700°C下氧化，可以将残渣转化为气体，但该气体主要含有CO?，价值较低。
化学回收的目标是生成可再利用的宝贵产物，如氢气、甲烷和甲苯。传统热解方法通常需要超过500°C的温度才能获得高产量的这些产物[7]、[8]、[9]、[10]。微波加热与传统外部加热不同，它通过介电和导电损耗直接将能量传递给微波吸收材料，实现快速且均匀的加热。这种能量传递方式可在催化剂表面形成局部热点，提高反应速率并提升能源效率[11]、[12]。由于大多数聚合物对微波辐射透明，因此需要使用能够有效耦合微波场的吸收剂或催化剂来启动和维持聚合物分解。合适的催化剂可将有效分解温度降至约400°C，从而降低电能消耗并缩短反应时间[7]。
近期关于聚烯烃和其他通用塑料的微波辅助降解研究[13]、[14]、[15]、[16]主要针对仅含氢和碳的聚合物展开。本研究还探讨了聚合物结构中杂原子的影响，选取了从基本碳结构（活性炭和石墨）到含硫碳（石油焦）再到添加铁氧化物的碳等多种吸收剂和催化剂，发现后者可高效地将97%的氢转化为H?[14]。碳的结构影响其微波吸收能力，这种吸收能力通过与惰性材料碳化硅（SiC）进行对比来评估。此外，还测试了不同氧化态的铁氧化物（Al?O?和ZnO），因为氧化物中的氧释放可能影响分解过程。
材料与方法
本研究中使用的PEI来自中国厦门科源塑料有限公司（Xiamen Keyuan Plastic Co., Ltd.），未经进一步处理。PEI颗粒直径为2-3毫米。所用的催化剂和微波吸收剂包括活性炭（AC）、石油焦（PC）、石墨（GR）和碳化硅（SiC）。活性炭由Lach-Ner（捷克共和国）提供，粒径为40-80 μm；石油焦由EPINIKON a.s.（捷克共和国）提供，粒径小于50 μm；碳化硅（粒径1.00-2.00 mm）由KOLTEX提供
结果
输入材料的基本分析结果（包括热重分析TGA、XRD、FTIR和物理吸附）见补充信息。图2a（补充信息S3）显示，在活性炭（AC）、活性炭-金属氧化物复合材料（ACM）、石油焦（PC）和碳化硅（SiC）存在下，PEI的热解产生了不同量的气体、冷凝物、蜡状物和固体残渣。FTIR分析未发现原始PEI结构的特征峰，表明微波处理后PEI结构已完全分解。
聚焦于AC-Fe?O?催化剂的微波分解机制
基于Díaz-Ortiz和Palma等人的研究，我们提出了一个利用Fe?O?掺杂碳催化剂在微波作用下进行固-固反应生成氢气和/或高价值烃类的模型（图6）。AC-Fe?O?催化剂的各组分具有不同功能：活性炭（AC）吸收微波辐射并将其转化为热能，同时还能...
结论
实验成功证明了在多种作为微波吸收剂和/或催化剂的材料存在下，PEI可发生微波辅助的催化分解。该过程实现了聚合物的完全分解，产物分布受所用材料类型显著影响。活性炭及其与金属氧化物复合材料的组合表现出最高的PEI转化率，其中AC-Fe?O?在氢气产量方面表现最佳（每克PEI产生20 mmol氢气，效率达76%）。
作者贡献声明
米哈尔·瓦斯蒂尔（Michal Vastyl）：负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、方法验证、数据分析及概念构思。约瑟芬·M·希尔（Josephine M. Hill）：负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写、数据验证及研究监督。帕维尔·莱斯廷斯基（Pavel Lestinsky）：负责撰写、审稿与编辑、初稿撰写及概念构思。
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
致谢
“实验结果得益于捷克共和国教育、青年与体育部支持的ENREGAT大型研究基础设施，项目编号为LM2018098。”
“实验结果得益于捷克共和国教育、青年与体育部支持的ENREGAT大型研究基础设施，项目编号为LM2023056。”
本研究还得到了NanoEnviCz研究基础设施的财政支持，该基础设施同样得到了政府的资助。
