近日，中國科學技術大學曾杰教授、李洪良副教授等人在聚苯乙烯塑料的循環升級領域取得重要進展。研究人員提出了一種全新的聚苯乙烯降解路徑，通過甲醇原位分解釋放低分壓氫物種來降解聚苯乙烯，避免了直接氫解過程中較高氫分壓引起的聚苯乙烯苯環側鏈過度加氫，同時相較于熱解過程，甲醇的引入又可以抑制聚苯乙烯主鏈的自成環脫氫，從而避免了聯苯和稠環等副產物的生成，實現了高效聚苯乙烯解聚制備烷基苯。相關成果以“Recycling valuable alkylbenzenes from polystyrene through methanol-assisted depolymerization”為題發表于《德國應用化學》雜志（Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202404952）。

聚苯乙烯具有熱穩定性好、輕便和價格低廉等優勢，因而廣泛用于日常生活中。目前，廢棄聚苯乙烯大約占被填埋的廢棄塑料總量的三分之一，給地球的生態環境帶來了嚴重的污染，對動物和人類的健康也造成潛在的威脅。將廢棄聚苯乙烯塑料轉化為高價值的芳香烴，是一種非常有前景的廢棄塑料資源化手段。然而，目前通過化學回收聚苯乙烯面臨仍諸多挑戰，例如高溫下催化劑易積碳失活、需要使用有機溶劑或者均相催化劑以及轉化率低等問題。因此，設計反應流程優化聚苯乙烯的化學回收制備高價值的烷基苯具有重要的意義。

研究人員通過構建二氧化硅負載的釕-二氧化硅催化劑用于甲醇原位產氫輔助聚苯乙烯降解高效制備烷基苯。在280攝氏度下經過6小時的反應后，液相產物的質量收率達到93.2%。其中，主要產物為單環芳烴和二苯代烷等高價值的烷基苯，選擇性達到84.3%。

圖1. 聚苯乙烯氫解、聚苯乙烯熱解以及甲醇輔助聚苯乙烯解聚的反應概況與產物解析

通過熱解方式降解聚苯乙烯，面臨反應速率慢以及催化劑積碳的問題。同時，聚苯乙烯主鏈脫氫芳構生成的稠環和聯苯類物質，限制了苯環的回收率。然而，聚苯乙烯氫解又面臨著苯環的過度加氫問題。研究人員通過理論分析發現，以甲醇作為氫載體輔助聚苯乙烯降解相比于熱解的熱力學更優。同時，甲醇原位分解產生的氫物種能抑制聚苯乙烯主鏈的芳構化，進而避免積碳的生成。相比于氫解，甲醇原位分解產生的低氫分壓能抑制苯環的過度加氫化，從而提高烷基苯產物的選擇性。

實驗結果表明，引入甲醇后液相產物的質量收率顯著提升，聚苯乙烯熱解為49.6%，聚苯乙烯氫解為41.6%，而甲醇輔助聚苯乙烯降解達到93.2%。同時，單環芳烴和二苯代烷的選擇性也有所提高，聚苯乙烯熱解為74.7%，聚苯乙烯氫解為51.4%，而甲醇輔助聚苯乙烯降解達到了84.3%。

圖2. 甲醇輔助聚苯乙烯解聚的機理示意圖

這項工作評估了釕-二氧化硅催化劑用于商用廢棄聚苯乙烯降解的催化性能，包括試管、量杯、瓶子和泡沫塑料等。將上述樣品剪成厘米大小的碎片，在280攝氏度下經過6小時的催化測試，各種商用廢棄聚苯乙烯都幾乎完全降解。其中，降解試管、量杯、瓶子和泡沫塑料后的液相產物質量收率分別達到93.5%、95.6%、97.6%和97.9%，這證明了釕-二氧化硅催化的甲醇輔助聚苯乙烯降解策略用于商用廢棄塑料回收的普適性。

該項研究受到國家自然科學基金委、中國科學院和科技部等的資助。曾杰教授、李洪良副教授為該論文的通訊作者，博士生曾琳、顏濤和杜俊杰為論文的共同第一作者。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202404952

（合肥微尺度物質科學國家研究中心、科研部）