超薄ZSM-5分子筛催化棉秆与聚乙烯共热解高效合成芳烃的研究

针对农业废弃物（棉秆）与塑料薄膜（LDPE）资源化利用难题，石河子大学团队通过调控ZSM-5分子筛b轴长度（b/a比0.3-0.81），开发出超薄Co-ZSM-5催化剂（1.6-ZSM-5），在共热解反应中将TEX（甲苯/乙苯/二甲苯）选择性提升至60%，扩散系数提高5倍，为生物质-塑料协同转化提供新策略。

　　

每年全球3300万公顷棉田产生大量棉秆，传统焚烧处理导致空气污染；而农用地膜年消耗193万吨，回收率不足70%的塑料残留威胁土壤健康。如何将这两种农业废弃物转化为高值化学品？石河子大学团队在《Fuel》发表的研究给出了创新答案：通过设计超薄ZSM-5分子筛催化剂，实现棉秆与低密度聚乙烯（LDPE）共热解高效合成甲苯、乙苯和二甲苯（TEX）等芳烃。

研究采用尿素辅助合成法调控ZSM-5的b轴厚度（130-250 nm），结合钴掺杂（Co）增强脱氧性能。通过分子动力学模拟（以苯酚和乙烯为模型化合物）和实验验证发现：当b/a轴比从0.81降至0.3时，催化剂1.6-ZSM-5的TEX选择性从47%跃升至60%，同时副产物链烷烃降至3%。这种提升源于缩短的b轴直通道——不仅加速反应物扩散（扩散系数提高5倍），还增加了酸性位点可及性。

材料与方法
研究以新疆石河子棉秆和LDPE为原料（1:1混合），采用种子辅助生长法合成系列Co-ZSM-5。通过X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）表征催化剂结构，结合固定床反应器评估催化性能，并利用分子动力学模拟验证扩散机制。

研究结果

1. 催化剂特性：尿素调控成功制备b/a比0.3-0.55的片状ZSM-5，钴掺杂有效提升脱氧能力。
2. 催化性能：b/a比0.3的1.6-ZSM-5表现最优，TEX产率较传统ZSM-5提升28%，且抗积碳能力增强。
3. 机制解析：短b轴减少过度裂解，直通道结构促进芳烃分子快速逸出，分子模拟证实扩散效率提升。

结论与意义
该研究首次系统揭示了ZSM-5轴向尺寸与共热解性能的定量关系，为农业废弃物-塑料协同转化提供了"结构-活性"精准调控的新范式。1.6-ZSM-5催化剂的高选择性和稳定性，有望推动生物质炼制与塑料回收技术的工业化应用，助力"双碳"目标下可再生碳资源的循环经济。