聚乙烯广泛应用于购物袋、塑料砧板等日常消费品中，大量废弃后难以自然降解。近日，美国橡树岭国家实验室（ORNL）的研究团队开发了一种创新方法，将废旧塑料与含有氯化铝的熔盐相结合。这些熔盐在反应中同时承担双重角色，既作为反应介质，又作为驱动化学转化的高效催化剂。相关研究成果已发表在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）上，并且研究团队已就该技术申请了专利。
熔盐如何将塑料转化为燃料
为了深入理解该工艺的作用机制，科学家们利用先进的分析手段密切追踪了聚合物转化为燃料分子的整个化学反应过程。通过软X射线光谱和核磁共振技术，研究团队发现带电的铝原子与另外三个原子结合，形成了高度酸性的催化位点。这些位点能够直接攻击构成聚乙烯的长分子链，将其断裂成较小的碳氢化合物分子。
此外，利用同位素标记和中子散射进行的补充实验揭示了起始聚合物的结构如何影响最终产物的成分：较简单的聚合物链倾向于生成类似汽油的化合物，而更复杂的链则产生类似柴油的燃料。田纳西大学诺克斯维尔分校（UTK）的博士后研究员Liqi Qiu表示：“我们开发了一种高效、高选择性的聚乙烯转化为汽油的工艺。”该研究的大部分实验均在ORNL的Sheng Dai实验室中完成。Sheng Dai作为ORNL企业研究员及分离与聚合物化学科负责人，是该论文的共同通讯作者之一。在相对温和的反应条件下，实验获得了约60%的汽油产率。
在200摄氏度以下实现塑料制汽油
该工艺最显著的特征之一在于其反应条件远比传统塑料制油技术温和。“我们利用市售无机盐作为反应介质来提供催化位点，将聚合物废物转化为增值燃料，”该论文的另一位共同通讯作者、ORNL专职科学家Zhenzhen Yang指出，“与传统的聚合物转化技术不同，新工艺不需要昂贵的贵金属催化剂、有机溶剂或外部氢气。这是首次在不使用任何催化引发剂或溶剂、且温度低于200摄氏度的条件下，利用熔盐作为介质从废物中生产高附加值化学品。”
200摄氏度以下的温度与传统家用烤箱内部的温度相当。相比之下，以往将聚乙烯转化为汽油的方法通常依赖于热解技术，需要450至500摄氏度的高温来裂解大分子聚合物。更低的反应温度，加上无需昂贵的贵金属催化剂、外部氢气、有机溶剂和化学引发剂，极大地简化了整个反应流程，并为未来的工业化放大奠定了坚实基础。
原子级别的化学追踪与多学科协作
为了探明反应过程中的微观细节，来自多个科学领域的研人员运用了多种先进的分析技术。在ORNL，Luke Daemen利用中子散射技术帮助鉴别了不同聚合物链反应生成的碳氢化合物产物；Felipe Polo-Garzon则通过气相色谱-质谱联用技术对产物进行了分离与单独鉴定。
当聚乙烯与铝催化位点相互作用时，反应会产生带正电荷的碳离子。Qiu、Yang和Dai利用氢同位素氘对该碳离子进行了标记，从而得以追踪其在反应推进过程中的演变轨迹。同时，研究团队借助ORNL散裂中子源（Spallation Neutron Source）的中子束监测了系统中的氢元素。“聚合物中含有大量的氢，”Dai解释道，“中子是识别轻元素（包括氢及其同位素如氘）的理想工具。”
为了明确铝催化位点在过程中的结构演变，Yang前往劳伦斯伯克利国家实验室的高级光源（Advanced Light Source），与Min-Jae Kim和Jinhua Guo合作，利用软X射线在原子和电子层面上检查了铝与聚乙烯之间的相互作用。“铝吸收边缘向低电子密度边缘发生偏移，这意味着形成了一些富电子中间体，”Yang说，“我们将这些发现与其他技术进行对比，证实了芳香环中间体会与铝配位并引起结合能的变化。”这一位移直接证明了铝位点在积极催化化学反应。
计算机模拟与先进成像揭示反应机制
在ORNL的纳米相材料科学中心，Bobby Sumpter通过计算机模拟研究了反应过程中的能量变化，包括稳定碳离子是如何形成的以及如何转移生成碳氢化合物产物。在UTK，Michael Koehler利用原位X射线衍射追踪了化学反应展开时反应混合物相态的变化，Carlos Alberto Steren则利用核磁共振研究了铝催化位点的性质。
此外，ORNL的Tao Wang贡献了熔盐化学方面的专业知识，Logan Kearney则提供了高密度聚合物，并就如何将其转化为更高价值产品的路线提供了专家指导。不过，研究团队也指出，尽管基于铝的催化系统价格低廉且化学活性高，但它具有吸湿性（即容易吸收水分），这可能会降低其稳定性。未来的研究方向将致力于探索如何通过卤素或碳基材料对熔盐进行限域，以提高其稳定并简化分离处理流程。