馬丁/王蒙課題組實(shí)現(xiàn)廢塑料(PET)和CO2共轉(zhuǎn)化制備高值化學(xué)品
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隨著人類對(duì)塑料制品使用的日益增加，廢棄塑料已成為全球性問題，約90%的廢棄塑料被直接填埋、焚燒處理，嚴(yán)重污染了生態(tài)環(huán)境。
聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）是最常用的聚酯塑料，其回收方法主要分為物理回收法和化學(xué)回收法。其中，化學(xué)回收法就是將固態(tài)的PET解聚，轉(zhuǎn)化為較小的分子、中間原料或是直接轉(zhuǎn)化為單體。其中，PET的甲醇酯交換解聚是PET降解的簡便方法之一，但是通過甲醇-PET解聚在化學(xué)上存在一個(gè)內(nèi)在缺陷：降解率受熱力學(xué)控制，而需要使用大量的甲醇溶劑。
近日，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院馬丁/王蒙課題組與紐黑文大學(xué)肖德泉課題組合作，報(bào)道了通過反應(yīng)串聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)一鍋法將CO2和PET這兩種急需轉(zhuǎn)化的廢棄物轉(zhuǎn)化為高值化學(xué)品的新過程。此過程采用CO2加氫制備甲醇耦合PET的醇解和加氫反應(yīng)實(shí)現(xiàn)了高值化學(xué)品的合成，而且在這一過程中兩種廢棄物的轉(zhuǎn)化率相比于單一體系具有更高值，且打破了熱力學(xué)的平衡限制。
研究表明，這樣的過程不僅可以將廢棄物CO2轉(zhuǎn)化，而將生成的甲醇通過PET醇解反應(yīng)原位消耗掉，而PET解聚生成的DMT產(chǎn)物則可以被同一催化劑加氫轉(zhuǎn)化為DMCD或PX兩種產(chǎn)物，促進(jìn)了PET的轉(zhuǎn)化。通過CO2加氫制甲醇、PET醇解和DMT加氫三個(gè)反應(yīng)的串聯(lián)實(shí)現(xiàn)CO2和PET的共同高效轉(zhuǎn)化。
Figure 1. PET和CO2一步法轉(zhuǎn)化為高值化學(xué)品。
研究發(fā)現(xiàn)，CO2加氫和PET甲醇分解的協(xié)同耦合具有有趣的雙重促進(jìn)作用。PET的存在促進(jìn)了CO2加氫反應(yīng)，其產(chǎn)物甲醇被PET甲醇醇解原位消耗。CO2加氫在沒有PET的存在下其甲醇產(chǎn)率只有5%，而加入PET后產(chǎn)率可以提升到9.4%。同時(shí)在加氫催化劑的存在下，由于產(chǎn)物（DMT）可以進(jìn)一步加氫，促進(jìn)了PET的甲醇醇解。直接加入甲醇PET的醇解的解聚程度（乙二醇EG產(chǎn)率）只有12.1%，而在有氫氣的存在下，其EG產(chǎn)率攀升到88.6%。如此與單一反應(yīng)相比，這種共轉(zhuǎn)化的新策略顯著提高了CO2加氫或PET甲醇分解的產(chǎn)率達(dá)2~7倍。
Figure 2. PET和CO2轉(zhuǎn)化反應(yīng)相互促進(jìn)的反應(yīng)性能
此工作提供了一種新的策略來同時(shí)回收聚酯和二氧化碳這兩種具有挑戰(zhàn)性的化學(xué)廢物。同時(shí)，雙促進(jìn)催化工藝適用于商業(yè)PET廢料和其他聚酯塑料，該策略對(duì)聚酯廢棄物的處理具有一定的通用性和實(shí)用性。這項(xiàng)工作有望啟發(fā)人們?cè)O(shè)計(jì)更具協(xié)同耦合的、具有雙重促進(jìn)作用的催化反應(yīng)，從而為將廢塑料或二氧化碳轉(zhuǎn)化為高值化學(xué)品提供實(shí)用的解決方案。文章以“Catalytic Transformation of PET and CO2 into High-value Chemicals”為題近日發(fā)表于Angewandte Chemie International Edition上。
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該研究得到國家自然科學(xué)基金、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、北京分子科學(xué)國家研究中心等的資助。北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院馬丁教授和王蒙副研究員以及紐黑文大學(xué)肖德泉教授為該工作的通訊作者，第一作者為北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院博士后李印文。
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文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202117205
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