在陽光照射下，堆積的廢棄塑料或可搖身一變成為“氫氣工廠”，持續(xù)分解塑料并產(chǎn)生氫氣。近期，韓國首爾大學(xué)研究團隊研發(fā)出一種從塑料廢棄物中持續(xù)生產(chǎn)氫氣的方法。它通過一種新型的結(jié)構(gòu)反應(yīng)器，利用納米復(fù)合材料包裹光催化劑，顯著提升催化活性和穩(wěn)定性，從而達到持續(xù)降解的目的。

      “傳統(tǒng)的塑料降解回收需要300攝氏度以上高溫高壓環(huán)境，能耗高、碳排放嚴(yán)重。光催化降解塑料的優(yōu)勢在于，僅需自然光照即可穩(wěn)定運行，無需額外能量輸入。全球多地的廣袤荒漠光照充足、氣溫高，若能應(yīng)用這一技術(shù)將廢塑料轉(zhuǎn)化為清潔氫氣，將為氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展注入新的動力。”該研究通訊作者、首爾大學(xué)化學(xué)與生物工程學(xué)院教授金大亨在接受本報記者采訪時表示。

      塑料的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，這也導(dǎo)致其自然降解緩慢。作為化學(xué)反應(yīng)的“加速器”，催化劑可加速塑料降解，使其分解為可回收利用的基礎(chǔ)化學(xué)物質(zhì)。其中，光催化降解產(chǎn)氫技術(shù)是利用太陽光驅(qū)動化學(xué)反應(yīng)。具體來講，先用強堿性溶液浸泡聚酯（PET）塑料，使其分子鏈中的酯鍵斷裂，解聚成含有對苯二甲酸鹽和乙二醇的塑料溶液。然后，將半導(dǎo)體光催化劑混合在溶液中，在太陽光照射下，光催化劑吸收能量，驅(qū)動塑料解聚產(chǎn)物與水發(fā)生重整反應(yīng)，對苯二甲酸、乙二醇和水分子中的氫轉(zhuǎn)化為氫氣，碳成分則被氧化為二氧化碳。不過，堿性溶液對催化劑有腐蝕作用，會降低催化劑壽命、影響催化產(chǎn)氫效率，導(dǎo)致這一技術(shù)難以大規(guī)模應(yīng)用，成為業(yè)內(nèi)所面臨的難題之一。

      此次韓國技術(shù)團隊創(chuàng)新性地設(shè)計出一種結(jié)構(gòu)反應(yīng)器，使用納米復(fù)合材料包裹光催化劑。這一材料具有較好的疏水性，就像給催化劑穿上了“防護服”，避免了催化劑直接與堿性溶液接觸，使其不會被腐蝕。同時，穿上“防護服”的催化劑可以像荷葉一樣漂浮在溶液表面，堿性溶液中分解產(chǎn)生的小分子會擴散至結(jié)構(gòu)反應(yīng)器中，在太陽光照射下，被保護良好的催化媒介會將塑料重整為氫氣。這一創(chuàng)新設(shè)計使得產(chǎn)氫效率較此前同類光催化系統(tǒng)提升約3—5倍，實驗中最高每平方米每日可產(chǎn)生0.906升氫氣，并可穩(wěn)定工作60天以上。金大亨表示：“這種結(jié)構(gòu)設(shè)計有效規(guī)避了催化劑浸出、氣體分離效率低下及逆反應(yīng)等常見問題，提高了催化劑活性和穩(wěn)定性，可將PET等塑料轉(zhuǎn)化為乙二醇和對苯二甲酸等高價值化學(xué)品，并產(chǎn)生清潔氫氣。”

      中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所研究員馬望京對本報記者表示：“光催化技術(shù)以太陽能為驅(qū)動力，具有反應(yīng)條件溫和、適用場景靈活等優(yōu)勢，尤其適合戶外大規(guī)模塑料垃圾的分布式處理。此次韓國技術(shù)團隊突破了傳統(tǒng)光催化技術(shù)面臨的穩(wěn)定性差、產(chǎn)氫速率低、系統(tǒng)能耗高等技術(shù)瓶頸，未來如實現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用，有望為全球塑料污染治理和綠氫生產(chǎn)提供新范式。”

      不過，目前該技術(shù)主要用于分解PET塑料，實驗中對聚乳酸（PLA）塑料也具有較好的分解效果，但尚無法分解聚乙烯（PE）和聚丙烯（PP）等全球使用量較大的塑料。金大亨表示，未來亟須進一步開發(fā)可有效分解PE和PP塑料的高性能催化劑，使更多塑料在低碳低溫條件下實現(xiàn)高效分解。

      馬望京介紹，當(dāng)前塑料催化分解技術(shù)多局限于處理單一類型廢塑料，對于現(xiàn)實中廢塑料種類混雜、較難有效分離的問題還無法很好解決。因而，未來的研究重點和難點不僅要提高催化反應(yīng)效率、降低反應(yīng)能耗、增強技術(shù)經(jīng)濟性，還需提升對混雜塑料的綜合處理能力。