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Angew. Chem. :胶束级联组装策略合成串联多孔催化剂用于废塑料升级再造2024-07-07
塑料制品为人类带来了便利,但同时也产生了大量难以降解的塑料废物,对全球自然环境和人类健康构成了严重威胁。发展高效的催化裂解技术,将废塑料转化为高价值化学品,已成为当前解决环境污染和资源危机、实现可持续发展的关键路径。

沸石因其强酸性、形状选择性和良好的水热稳定性,被广泛用于聚烯烃的催化裂解。然而,沸石的孔径小(< 1nm),导致聚烯烃大分子难以直接进入孔道反应,限制了物质传质;且沸石的表面强酸性易导致积碳形成,使催化剂迅速失活。介孔结构能够改善大分子传质受限,但介孔氧化硅仅具有弱酸性,导致催化裂解活性低。

近日,复旦大学李伟教授团队发展了一种胶束级联组装策略,在微孔ZSM-5沸石表面构筑了由介孔到大孔的氧化硅壳层,合成了串联多孔催化剂(TPC)。该催化剂具有梯度孔和梯度酸特性,与聚烯烃的级联裂解过程相匹配,在280 ℃下实现了对低密度聚乙烯(LDPE)的高效催化降解。

 

 

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在该反应体系中,精确调控Sal/ CTA+比例,可有效控制胶束级联组装,形成串联多孔结构。CTA+胶束首先由熵驱动自组装形成,并在带负电的ZSM-5沸石表面组装,进而融合生长形成蠕虫状孔道。随着反应进行,带相反电荷的Sal与CTA+发生静电相互作用,使堆积参数增加,从而诱导CTA+球形胶束转化为曲率更低、尺寸更大的CTA+/Sal复合胶束。该复合胶束作为二级组装单元,形成更大孔径的介孔外层。

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该串联多孔催化剂在催化裂解LDPE中展现出优异的催化性能。与ZSM-5沸石相比,TPC能增加低碳小分子(C1-C7)产率,其中TPC-3的产量达443 mmol·gZSM-5-1,C3-C6烯烃选择性为74.3%,几乎没有观察到积碳生成。

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这得益于串联多孔催化剂与聚烯烃的级联裂解过程相适配。其外层疏水性大孔有助于快速吸附LDPE,中间层介孔则提供了纳米限域空间,使LDPE在弱酸位点被预裂化为中间体。随后,这些中间体进一步扩散至内层ZSM-5沸石微孔,在强酸位点上再度裂解为低碳小分子。

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这种渐进式催化降解途径有效抑制了积碳的生成,提高了催化效率。该研究为构建具有多级孔和梯度酸结构的串联催化剂提供了新方法,也为废塑料的升级回收提供了新思路。

文信息

Micelles Cascade Assembly to Tandem Porous Catalyst for Waste Plastics Upcycling

Jiayou Feng, Jindi Duan, Chin-Te Hung, Zhenghao Zhang, Kailin Li, Yan Ai, Chaochao Yang, Yiyue Zhao, Zhengmin Yu, Yahong Zhang, Liang Wang, Dongyuan Zhao, Wei Li

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202405252