由于不可生物降解材料的不断积累，尤其是塑料，废物管理在环境科学和技术领域变得越来越重要[1]。自塑料问世以来，由于其成本低廉且耐用，它已经改变了现代社会[2]。然而，塑料的大量生产以及不当处理给环境带来了严重风险。全球每年产生约3亿吨塑料废物，但只有9%得到了回收利用[3]。大多数被丢弃的塑料会在环境中存在数百年，逐渐分解成微塑料，污染陆地、水生生态系统以及大气层[4]。传统的塑料废物处理方法，如填埋和焚烧，因其对生态环境和公共健康的负面影响，越来越被认为不可持续[5]。表1总结了现有的塑料转化技术。传统的塑料废物处理方式，如填埋和焚烧，会带来长期的环境风险——填埋的塑料可能会在数十年间将微塑料渗入土壤和地下水[6]，而焚烧则会释放有毒气体[7]。相比之下，催化热解能在无氧条件下，借助特制的催化剂将塑料废物分解为高价值的液态油、固体炭以及合成气，从而提高产品产量和质量[8,9]，最终得到含有烃类及其他有用物质的混合物[10,11]。这项研究的意义在于它有望同时解决多项全球性挑战[12,13]。首先，它能缓解塑料污染带来的环境危机，塑料污染对生态系统和人类健康构成严重威胁。通过将塑料废物转化为有价值的商品，可以减少其在填埋场和海洋中的堆积。其次，将塑料废物转化为液态油和炭黑有助于保障能源安全并促进经济增长[14,15]。欧盟委员会联合研究中心的研究表明，催化热解可将70%-85%的塑料废物转化为液态燃料[16]。另有研究表明，这一过程能产出可作为石化原料的高质量液态油[17]。这些产品有着广泛的应用，从燃料生产到各类制造工艺，从而助力循环经济的发展。
催化热解是一种热化学过程，通过在催化剂的作用下无氧分解塑料废物，将其转化为高价值产品[[18], [19], [20], [21], [22], [23], [24], [25]]。这项技术通过将不可生物降解的废物转化为有用材料，同时创造经济价值，从而应对环境挑战[[26], [27], [28]]。其主要产物液态油是由烷烃、烯烃和芳香烃等烃类混合物组成，可作为石化原料或柴油、汽油等燃料替代品[12,[29], [30], [31]]。例如，聚乙烯和聚丙烯的催化热解可得到高达80%重量的液态油，其烃类成分与传统化石燃料相当[32]。人们对沸石，尤其是ZSM-5进行了大量研究，以提升产品品质；它们较强的酸性和适宜的孔结构有助于将大型烃类分子分解为有价值的组分[[33], [34], [35], [36], [37], [38]]。经过优化酸位分布的HZSM-5催化剂，其芳香烃的选择性可提高20%-30%，能够满足生产苯、甲苯和二甲苯这三种石化原料的需求[39]。此外，炭黑也是一种有价值的副产品，可用作橡胶增强剂和工业颜料，它是化石燃料衍生产品的可持续替代品[[40], [41], [42]]。尽管有这些优势，但要实现大规模应用仍面临诸多技术障碍。由于焦炭沉积和金属烧结会导致催化剂失活，因此需要频繁再生，这大大增加了运营成本。目前的缓解措施包括使用分级催化剂（例如介孔ZSM-5）以及混合塑料共热解。此外，聚合物分解和催化剂再生所需的高热量对于工业应用来说仍然在经济上难以承受。
除了技术可行性之外，催化热解在经济和环境方面的优势也证明了它作为可持续废物管理核心技术的潜力。像Klean Industries这样的企业所进行的商业示范已经证明了将城市塑料废物大规模转化为液态油和炭黑等高价值产品是可行的（例如，每年处理1万吨废物，可得到7000吨油和2000吨炭黑）。与传统化石燃料的开采和精炼相比，催化转化能显著减轻填埋负担和温室气体排放。此外，与传统的焚烧方式相比，该过程的有毒污染物排放量更低，从而提升了空气质量。通过将废物转化后的材料重新作为原料投入经济体系，这种方法促进了循环经济的发展，减少了人们对原始化石资源的依赖。从塑料废物中生产出有价值的商品不仅能创造经济机会，还能推动催化剂研发的创新。针对特定类型聚合物设计的定制催化剂，可提高反应效率、增加产品产量并降低运营成本。催化热解能够延长塑料的使用寿命，减少碳足迹，还将经济激励与环境保护相结合，是迈向可持续发展的重要一步。
本文系统地研究了用于生产液态油和炭黑的塑料废物催化热解技术，构建了一个涵盖催化剂优化、产品升级以及技术经济环境评估的综合分析框架。文章阐明了复杂的转化机制，重点介绍了相关的反应路径。同时，基于催化活性、稳定性和成本效益，对均相催化剂和异相催化剂进行了深入评价，为优化工艺设计提供依据。文章还全面分析了实现商业化应用所面临的技术和经济挑战，包括原料多样性管理以及工艺的规模化问题。此外，文章还强调了这些衍生产品的多种应用场景，进一步凸显了这种废物转资源策略的可持续性潜力。通过总结现有研究成果并指出研究空白，本文旨在为可持续的塑料废物管理解决方案的发展提供参考。
