聚乙烯自限域裂解-重整高效制备轻质烯烃：实现废塑料化学循环新策略

面对全球每年5300万吨废聚烯烃的环境挑战，中国科学院团队创新性提出聚乙烯(PE)自限域裂解机制，在300°C温和条件下实现C3-C8烯烃收率超70%。该研究突破传统裂解对沸石孔道结构的依赖，发现产物分布仅受PE熔体流动速率(MFR)和自限域程度调控，通过串联催化重整可获得67% C2-C4轻烯烃和23% BTX，为废塑料化学回收提供工业级解决方案。

　　

在全球每年产生5300万吨聚烯烃废塑料的背景下，传统机械回收和高温热解技术面临能耗高、产物附加值低的困境。尤其当1700万吨轻质烯烃市场需求与废塑料处理需求形成鲜明对比时，如何实现聚烯烃"变废为宝"成为化学回收领域的核心挑战。现有技术如800°C以上高温裂解虽能获得轻烯烃，但伴随巨大能耗；而新兴的串联催化策略又受限于乙烯(C₂H₄)共进料和催化剂中毒问题。这些矛盾促使中国科学院团队在《Nature Communications》发表突破性研究，揭示聚乙烯(PE)在沸石催化剂表面独特的"自限域"裂解现象，为温和条件下定向制备高值化学品开辟新路径。

研究团队主要采用分子动力学模拟揭示熔融PE的扩散限制机制，结合脉冲吸附实验验证活性位点可及性，通过热重-红外联用(TGA-FTIR)监测反应进程，并建立5克级放大实验验证工业可行性。关键创新点在于发现PE熔体流动速率(MFR≥1)对自限域效应的决定性作用，以及开发无需共进料的串联重整工艺。

PE自限域催化裂解行为及其影响因素

通过对比C₁₈至C₁₀₀₀链长烃类的裂解差异，发现PE(C₁₀₀₀)在300°C下可产生66wt.%的C₃-C₈烯烃。降低催化剂/PE质量比(C/P)至0.5时，烯烃选择性显著提升至80%，而芳烃生成被抑制。丙烯(C₃H₆)脉冲吸附实验证实，PE熔体层会阻碍产物分子与布朗斯特酸位点(BAS)的二次接触，这种空间限制效应使反应直接终止于烯烃阶段。

自限域裂解的独特特征

通过表面酸位钝化的ZSM-5@SiO₂催化剂对比实验，证实PE裂解仅发生在沸石外表面酸性位。令人惊讶的是，不同孔径(USY/Beta/ZSM-5)和金属改性(Fe/Mn/Ni)沸石在完全包裹条件下均呈现相似烯烃收率(>65%)，说明产物分布仅受MFR调控。当MFR<1时，由于熔体包裹不充分，芳烃选择性会从10%骤增至35%。分子动力学模拟显示，C₁₀₀以上链长烃类形成的熔体层可使C₆H₁₂扩散系数降低2个数量级，这种空间限制效应导致产物集中在C₄-C₅范围。

实际应用验证

在农用薄膜、包装袋等真实废塑料处理中，该技术实现68-71.9%的C₃-C₈烯烃收率。采用工业级催化剂(Cat-1/Cat-2)进行串联重整后，最终获得67% C₂-C₄轻烯烃和23%可分离BTX，经济评估显示每吨废塑料可产生248美元利润。连续进料实验证实，通过控制PE进料速率维持自限域状态，可使烯烃选择性稳定保持80%以上。

这项研究从根本上改变了聚合物催化裂解的传统认知，证明产物分布可通过熔体流变特性而非催化剂结构来精准调控。所开发的自限域裂解-重整串联工艺，不仅将反应温度降低500°C以上，更首次实现无需共进料的高选择性转化，为建立"废塑料-化学品"的闭环经济提供了关键技术支撑。该成果被审稿人评价为"聚合物催化领域范式转变的典范"，其核心价值在于将工业催化中的时空效应创新性地拓展至高分子反应体系，为处理其他类型废塑料提供了普适性方法论。