循环衍生碳纳米管对含氧氯塑料混合物微波催化制氢的缓解效应与机制研究

为解决塑料污染带来的环境挑战，研究人员通过Ni-Al-Fe催化剂微波热解PS、PE、PP、PVC和PET混合塑料，探究氢转化效率。研究发现烃类塑料（PP/PE/PS）产氢量达49.17 mmol/g，纯度90 vol%，而PET和PVC因含氧/氯基团抑制催化剂活性。通过循环生成的碳纳米管（CNTs）修饰催化剂（Ni-Al-Fe-CNTs），氢产率提升35%，揭示了CNTs通过优化电子结构、稳定活性位点的作用机制，为塑料废物高值化转化提供新策略。

　　

塑料污染已成为全球性环境危机，从北极积雪到深海沉积物均检测到微塑料，其对生态系统的破坏甚至威胁人类健康。传统机械回收法难以处理成分复杂的混合塑料（如含PET和PVC的废弃物），而热化学转化技术虽能实现能量回收，但含氧/氯塑料会显著降低催化剂效率。如何高效转化这类混合塑料并获取高附加值产品（如氢气），成为当前研究的瓶颈。

针对这一问题，中国某研究团队在《Applied Catalysis B: Environment and Energy》发表研究，通过微波辅助催化热解技术，系统探究了Ni-Al-Fe催化剂对五种常见塑料（PS、PE、PP、PVC、PET）混合物的氢转化效能。研究采用溶胶-凝胶法制备催化剂，结合气相色谱和X射线衍射等技术分析产物分布及催化剂结构变化，并创新性地利用反应过程中原位生成的碳纳米管（CNTs）修饰催化剂，显著提升了含氧/氯塑料的氢产率。

催化剂合成与表征
通过溶胶-凝胶法合成Ni-Al-Fe多金属催化剂，金属摩尔比为1:1:1，柠檬酸作为络合剂。热处理后形成高比表面积的纳米结构，为后续塑料裂解提供活性位点。

烃类塑料混合物（PP/PE/PS）的氢产率
实验显示，纯PP或PP/PE混合物在Ni-Al-Fe催化下氢产率最高（51.98-52.22 mmol/g），达理论值的78-85%，且氢气纯度稳定在85 vol%以上。芳环结构（如PS）对产氢效率影响微弱，证明烃类塑料的协同效应显著。

含氧/氯塑料的抑制作用
PET的引入使氢产率下降40%，因其裂解产生的含氧中间体（如醛类）氧化催化剂中的铝组分并毒化活性位点；PVC则因氯离子引发金属迁移（如Ni²⁺→Ni⁰）和表面腐蚀，导致催化剂失活。

CNTs的缓解机制
将反应副产物CNTs负载于催化剂（Ni-Al-Fe-CNTs）后，含PET/PVC混合塑料的氢产率提升35%。机理研究表明，CNTs通过以下途径发挥作用：①增强表面应变力，优化Ni-Fe异质结（heterojunction）形成；②提供电子传导通道，维持Fe³⁺/Fe²⁺氧化还原循环；③吸附有害中间体，保护活性位点；④促进氧空位（oxygen vacancy）生成，提升H₂O解离效率。

结论与展望
该研究构建了“塑料废物→高纯氢气+CNTs→催化剂再生”的循环经济模型，不仅为含杂原子塑料的资源化处理提供新思路，还揭示了CNTs在催化剂保护中的多重作用机制。未来可进一步探索CNTs的定向调控策略，以适配更复杂的工业废塑料体系。