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Angew. Chem. :膠束級聯組裝策略合成串聯多孔催化劑用于廢塑料升級再造2024-07-07
塑料制品為人類帶來了便利,但同時也產生了大量難以降解的塑料廢物,對全球自然環境和人類健康構成了嚴重威脅。發展高效的催化裂解技術,將廢塑料轉化為高價值化學品,已成為當前解決環境污染和資源危機、實現可持續發展的關鍵路徑。

沸石因其強酸性、形狀選擇性和良好的水熱穩定性,被廣泛用于聚烯烴的催化裂解。然而,沸石的孔徑小(< 1nm),導致聚烯烴大分子難以直接進入孔道反應,限制了物質傳質;且沸石的表面強酸性易導致積碳形成,使催化劑迅速失活。介孔結構能夠改善大分子傳質受限,但介孔氧化硅僅具有弱酸性,導致催化裂解活性低。

近日,復旦大學李偉教授團隊發展了一種膠束級聯組裝策略,在微孔ZSM-5沸石表面構筑了由介孔到大孔的氧化硅殼層,合成了串聯多孔催化劑(TPC)。該催化劑具有梯度孔和梯度酸特性,與聚烯烴的級聯裂解過程相匹配,在280 ℃下實現了對低密度聚乙烯(LDPE)的高效催化降解。

 

 

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在該反應體系中,精確調控Sal/ CTA+比例,可有效控制膠束級聯組裝,形成串聯多孔結構。CTA+膠束首先由熵驅動自組裝形成,并在帶負電的ZSM-5沸石表面組裝,進而融合生長形成蠕蟲狀孔道。隨著反應進行,帶相反電荷的Sal與CTA+發生靜電相互作用,使堆積參數增加,從而誘導CTA+球形膠束轉化為曲率更低、尺寸更大的CTA+/Sal復合膠束。該復合膠束作為二級組裝單元,形成更大孔徑的介孔外層。

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該串聯多孔催化劑在催化裂解LDPE中展現出優異的催化性能。與ZSM-5沸石相比,TPC能增加低碳小分子(C1-C7)產率,其中TPC-3的產量達443 mmol·gZSM-5-1,C3-C6烯烴選擇性為74.3%,幾乎沒有觀察到積碳生成。

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這得益于串聯多孔催化劑與聚烯烴的級聯裂解過程相適配。其外層疏水性大孔有助于快速吸附LDPE,中間層介孔則提供了納米限域空間,使LDPE在弱酸位點被預裂化為中間體。隨后,這些中間體進一步擴散至內層ZSM-5沸石微孔,在強酸位點上再度裂解為低碳小分子。

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這種漸進式催化降解途徑有效抑制了積碳的生成,提高了催化效率。該研究為構建具有多級孔和梯度酸結構的串聯催化劑提供了新方法,也為廢塑料的升級回收提供了新思路。

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

 

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