微波辅助镍离子置换海床沉积物催化塑料废弃物双级热解：甲烷重整与强化产氢的新策略

为解决塑料废弃物回收率低和温室气体排放问题，研究人员开发了微波辅助Ni2+置换海床沉积物（Mwx%Ni-SB）催化剂，用于塑料双级热解产氢。该催化剂通过微波调控电子密度和晶格缺陷，使产氢量提升109.74%，甲烷减少49.04%，为低温（600°C）甲烷重整提供了可持续解决方案。

　　

随着全球塑料消费量激增，每年约3亿吨塑料废弃物中仅9%被回收，其余通过填埋或自然降解产生大量温室气体。传统热解技术虽能转化塑料为能源，但甲烷副产物加剧气候变暖，而深海沉积物中富含的过渡金属（如Ni、Fe、Mn）作为催化剂的潜力尚未充分开发。印尼努沙登加拉群岛海域4200米深处采集的海床沉积物（SB4200），因其独特的矿物组成和孔隙结构，成为本研究的关键原料。

为提升海床材料的催化性能，研究人员采用微波辅助Ni²⁺置换技术，通过2.45 GHz微波辐射诱导晶格重排和电子密度调控。XPS分析证实Fe₂O₃和Al₂O₃是主要活性组分（占比17.7%和13%），而微波处理使-OH官能团减少13.63%，同时Ni²⁺的引入使电子密度提升23%。通过双级热解反应器（一级AC-Cl催化剂裂解塑料，二级Mwx%Ni-SB重整甲烷），结合GC-TCD、FTIR和Profex电子密度模拟等关键技术，系统评估了催化性能。

元素与形貌分析
XRF显示SB4200含Fe₂O₃（17.7%）、SiO₂（48.4%）及稀土元素Eu。FESEM观察到(Fe,S)-O和(Al,Zn)-O复合物形成的多孔结构（孔径<100 nm），为反应提供微活性位点。

XPS与FTIR表征
微波处理使Fe 2p_3/2结合能从711.58 eV升至712.22 eV，电子转移阻力降低。Ni²⁺置换增加C=O（1700 cm^-1）和Fe-O（567 cm^-1）官能团，提升高温稳定性。

能带结构调控
ASF法计算显示Mw50%Ni-SB带隙能降至2.85 eV，Urbach能增至2.09 eV，缺陷态促进电子跃迁。Profex模拟证实Ni²⁺使电子密度分布更均匀，电流密度提升3倍。

甲烷重整性能
Mw50%Ni-SB使H₂产率提升109.74%，CH₄减少49.04%。反应机制涉及CO₂与CH₄在Ni²⁺位点吸附，经氧化还原生成H₂和CO，后者进一步氧化为CO₂（O₂增加3.29%）。

该研究首次实现海床矿物在低温（600°C）下的高效甲烷重整，为塑料废弃物资源化提供了"一石二鸟"的解决方案：既增产清洁氢能，又减少温室气体排放。微波辅助Ni²⁺置换策略可推广至其他多金属氧化物催化剂设计，对推动"蓝色经济"和碳中和目标具有双重意义。