近日，我校化学与分子工程学院李艳课题组在催化转化废弃聚烯烃塑料制备轻质烯烃领域取得了重要进展。相关成果以“Hierarchical Accessibility and Framework-Al Organization in Ultra-High-Silica ZSM-5 Enable Efficient Cracking of Polyolefin Waste to Light Olefins”为题发表在Angew. Chem. Int. Ed.（DOI:10.1002/anie.8344174）。
塑料已成为现代社会不可或缺的材料之一，但“高产量-低回收-高环境负担”的矛盾日益突出。在塑料污染与碳资源浪费的双重压力下，将废塑料转化为可直接进入化工产业链的基础化学品，是推动循环经济的重要路径。其中，聚烯烃（主要包括聚乙烯PE和聚丙烯PP）是规模最大的一类塑料，其饱和烃主链赋予材料高耐久性，也使其难以降解并成为最主要的废塑料来源之一。ZSM-5分子筛具有规整的MFI微孔结构和可调控酸性，为聚烯烃催化裂解提供了良好的限域反应环境。然而，废弃聚烯烃具有分子尺寸大、熔体传质受限等特点，不仅限制了酸性位点的有效利用，也会影响反应中间体的进一步转化路径，使其高效催化转化仍面临产物分布复杂、催化剂易失活等问题。
针对上述挑战，研究团队从沸石催化剂的微观结构调控出发，通过在ZSM-5合成过程中引入十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）和叔丁醇（TBA）等结构调节剂，调控铝物种分布及酸性位点环境，在保持MFI分子筛骨架的同时，提高了催化活性位点的有效利用效率。优化后的ZSM-5催化剂在450°C下可将低密度聚乙烯高效转化为小分子烃类，气体产物收率达到95.3wt%，其中C2–C4轻质烯烃选择性达到88.2%。催化剂表现出较高的反应活性和良好的循环稳定性，连续循环使用20次后仍保持稳定性能，同时显著降低了积碳生成。进一步研究表明，该体系的核心在于协同调控孔道可及性与局部酸性环境，从而优化聚烯烃裂解反应网络。CTAB和TBA辅助形成的多级孔结构改善了聚合物裂解中间体向催化活性空间的传质，提高了酸性位点的有效利用；与此同时，孤立骨架Al构建了相对稀疏的局部酸性环境，减少中间体在酸性位点附近的连续二次反应，从而抑制芳构化和积碳，并促进轻质烯烃的生成与扩散。
基于这一认识，本研究通过协同调控多级孔结构可及性与骨架Al空间环境，构建了无须额外氢气或其他共反应物的聚烯烃选择性裂解体系，实现了废塑料向轻质烯烃的高效转化。该研究进一步揭示了聚合物衍生中间体传质、多级孔结构与骨架Al环境之间的协同作用，为扩散受限大分子催化转化中分子筛及多孔固体酸催化剂的结构设计提供了参考。
化学与分子工程学院李艳教授为该论文的通讯作者，博士研究生许旺为第一作者。研究工作得到了结构可控先进功能材料及其制备教育部重点实验室等平台的支持。
原文链接：https://doi.org/10.1002/anie.8344174
