在Pt和Ru负载的沸石催化剂上对聚苯乙烯废弃物进行选择性加氢裂解，可高效生成液化石油气（LPG）和乙苯

催化加氢裂解法处理聚苯乙烯废料，比较Pt/Ru掺杂HY和ZSM-5催化剂的性能。结果表明，Pt-Ru-HY在20 bar H?、330℃下实现乙苯（EB）最高选择性37-44%，气态产物C?-C?选择性达60-74%；而Pt-ZSM-5因大孔径（3.8 nm）抑制EB生成。催化剂经四次循环后EB选择性稳定，证明其高效再生性。NMR技术揭示金属-酸协同作用增强EB选择性。该策略为塑料废料资源化提供新路径，兼具环保与经济效益。

　　
本研究聚焦于通过催化重排技术将非生物降解的聚苯乙烯（PS）废料转化为高价值工业产品，具体探索了铂（Pt）和钌（Ru）掺杂的沸石催化剂在氢解过程中的性能。研究采用两种沸石载体：HY（硅铝比为5）和ZSM-5（硅铝比为30），通过湿法浸渍负载金属，制备出Pt-和Ru-掺杂的催化剂。反应在高压氢气环境中进行，通过调节温度（300–330℃）、压力（15–25 bar）和聚合物与催化剂比例（5:1至15:1），系统评估了催化剂对产物分布的影响。

### 核心发现与机制解析
1. **催化剂结构与性能关系**
- **HY催化剂**（孔径约3.6 nm）掺杂Pt或Ru后，表现出不同的酸性和金属活性位点分布。Pt掺杂HY的酸性位点（如BAS和LAS）在高温处理（550℃）后部分流失，导致酸性减弱，但金属纳米颗粒的负载增强了氢解能力。Ru掺杂HY的酸性位点数量增加，同时钌的高分散性（平均粒径10.3 nm）提升了其在微孔中的传质效率。
- **ZSM-5催化剂**（大孔径3.8 nm）中Pt的负载使其更倾向于生成气态产物（C3–C4烃占比达94%），而较小的孔径阻碍了乙苯（EB）等液态芳烃的生成，导致液相选择性降低。

2. **反应条件优化**
- **压力影响**：在25 bar氢气压力下，PS转化率显著提升（从37%增至73%），高压促进氢溶解和扩散，加速重排反应。
- **时间与催化剂比例**：反应时间延长至90分钟时，Pt-HY催化剂的EB选择性从初始的37%降至40%，表明长时间反应可能导致芳烃环的氢解（如苯环开环生成环烷烃）。而聚合物与催化剂比例从5:1增至15:1时，EB选择性下降（从44%降至37%），可能与金属活性位点被覆盖有关。

3. **产物选择性机制**
- **气态产物**：C3–C4烃（如丙烷和丁烷）主要源于PS链的β-断裂和氢解作用，Pt和Ru均能促进此过程。其中，Ru掺杂HY的C3选择性（61%）显著高于Pt（34%），可能与钌的强氢解活性相关。
- **液态产物**：EB（C8单环芳烃）的选择性主要依赖于酸碱位点协同作用。Pt-HY催化剂的LAS（ Lewis酸性位点）密度较高（约0.5 mmol/g），能有效捕获并活化苯环上的取代基，促进乙基化反应。而Ru的引入进一步增强了酸性位点的稳定性，抑制焦炭形成（Ru-HY催化剂的焦炭量仅为11%，Pt-HY为14%）。

4. **催化剂稳定性与再生**
- Pt-HY催化剂在四次重复使用后仍保持约90%的EB选择性，表明其抗烧结性能优异。XPS分析显示，Pt在还原后仍以0价态稳定存在，未发生氧化或团聚。
- Ru掺杂HY的活性稳定性略低于Pt-HY，但EB选择性仍维持在38–43%，说明钌基催化剂在工业适用性上表现可靠。

5. **分子动力学与吸附行为**
- **NMR弛豫研究**揭示了探针分子（如乙苯、环己烷）在催化剂孔道中的吸附特性。Pt-HY的微孔结构（平均孔径0.6 nm）对中小分子（如环己烷，直径约6 ?）具有强吸附作用，其T1/T2比值最高（18），表明分子被强烈限制在孔道内。而乙苯（C8）因分子较大（直径约7 ?），吸附较弱（T1/T2=6.2），但其在Pt-HY上的选择性仍达37–44%，说明金属位点主导了芳烃的活化过程。

### 环境与经济价值
研究提出了一种可持续的塑料回收路径：通过催化重排将PS废料转化为LPG（用于燃料）和EB（用于合成染料、药物中间体等）。与传统苯乙烯生产路线相比，该方法避免了苯乙烯生产中的苯（致癌物）使用，每年可减少约50万吨苯的消耗，且EB市场价达1500美元/吨，经济效益显著。

### 挑战与改进方向
- **焦炭沉积问题**：Pt-HY催化剂在长时间反应后焦炭量增加（从7%升至14%），需通过优化反应动力学（如缩短反应时间）或开发抗积碳涂层解决。
- **载体选择限制**：ZSM-5的大孔径结构阻碍了EB的生成，未来可探索介孔-微孔复合结构载体以平衡传质与选择性。

### 结论
本研究通过系统比较Pt和Ru掺杂HY与ZSM-5催化剂的性能，揭示了金属-酸碱协同催化机制。Pt-HY在优化反应条件（15分钟、20 bar、10:1比例）下可实现PS waste 73%的转化率和67%的C3–C4气态产物选择性，同时EB选择性达37–44%。催化剂的稳定性与再生能力验证了其在工业规模化应用的潜力，为塑料化学回收提供了新范式。