聚乳酸直接水相重整制氢及烷烃：一种可持续塑料废弃物管理策略

为解决塑料废弃物填埋带来的环境负担，研究人员探索了聚乳酸(PLA)直接水相重整(APR)技术。该研究通过合成Pt、PtPd、PtRh、PtRu等碳载催化剂，在温和条件(220°C, 5.5 bar)下实现PLA高效转化为H2(最高10 mmol·g?1)和烷烃，阐明了反应路径并验证催化剂稳定性，为生物降解塑料资源化提供新思路。

　　

随着全球塑料污染问题日益严峻，传统填埋方式已无法应对每年数亿吨的塑料废弃物。尤其引人关注的是，被标榜为"环保"的聚乳酸(PLA)塑料，在实际环境中降解速度缓慢，其堆肥处理还会产生比传统塑料毒性更高的微塑料。这种"绿色悖论"促使科学家们寻找更高效的塑料资源化途径。西班牙马德里自治大学(Universidad Autónoma de Madrid)的研究团队在《Fuel》发表创新性研究，开发出通过直接水相重整(APR)将PLA转化为氢能和烷烃的新策略。

研究人员采用透射电子显微镜(STEM-HAADF)、X射线光电子能谱(XPS)等技术表征催化剂，通过氮气吸附测定碳载体孔隙结构，并在高压反应釜中进行APR实验，利用气相色谱分析产物组成。实验设计涵盖4种碳载体(ENS250、ENS350等)和4种金属组合(Pt、PtPd等)的对比研究，同时考察反应时间(2-15h)和催化剂重复使用性能。

催化剂特性决定转化效率
通过系统表征发现，PtRh/ENS250催化剂金属粒径为3.1±1.4 nm，Ptⁿ⁺/Pt⁰比例达5.0，其介孔结构(0.23 cm³·g^?1)和适度碱性(pH 8.1)最有利于反应进行。氧化处理后的酸性载体ENS250-OX性能显著下降，证实载体酸碱性对催化活性的关键影响。

双金属协同提升产氢效能
对比实验显示，PtRh和PtRu催化剂表现突出，H₂产率分别达10和7 mmol·g^?1PLA，远高于单金属Pt催化剂。XPS分析揭示这种优势源于双金属电子效应，PtRh催化剂中高价态Pt物种(Ptⁿ⁺)比例更高，促进C-C键断裂和水气变换反应(WGS)。

反应时长优化与路径解析
时间梯度实验表明，4小时反应即可实现PLA高效转化，延长至8小时虽提高碳转化率(CCgas)至74%，但伴随烷烃产量增加。液相检测发现甲酸易被转化，而乙酸具有顽固性，结合检测到的乙醇、十二醇等中间体，推测存在通过低聚物直接重整的平行路径。

催化剂展现良好稳定性
重复使用实验显示，PtRh/ENS250在二次运行时仍保持10 mmol·g^?1的H₂产率，热重分析(TGA)未发现明显积碳，STEM证实金属纳米颗粒未显著聚集，仅平均粒径从3.1增至3.7 nm。

该研究突破性地证明PLA直接APR的技术可行性，相比传统两步法(先水解再重整)具有流程简化优势。提出的"低聚物直接转化"新机制为拓展APR技术至PET等复杂塑料提供理论依据。特别值得注意的是，研究中采用的温和条件(220°C vs 传统重整800°C)大幅降低能耗，使该技术具备工业化应用潜力。未来通过优化廉价金属催化剂(如Ni基)和连续反应器设计，有望建立塑料废弃物制氢的循环经济模式，同时缓解白色污染和能源短缺双重危机。