【文献解读】天津大学刘斯宝ACS Catalysis：Ru/TiO2催化聚丙烯塑料制备润滑油
背景
塑料废弃物的循环利用和升级再造是从源头控制白色污染的关键。其中，催化转变是最有希望实现塑料高价值利用的途径之一。
天津大学刘斯宝副教授和美国特拉华大学Dionisions G. Vlachos课题组研究发现，Ru/TiO2催化剂在相对温和条件下（温度为250摄氏度，中等氢气压力）可以将聚丙烯催化转化为分子量在润滑油范围的烃类物质。对所得产品的关键性质，包括凝点、动力学粘度和粘度指数进行分析，结果表明其有潜力作为合成油的替代品。
01
图文解读
如图1所示，聚丙烯通常是由石油和天然气作为起始原料通过一系列化学反应制备的，将废弃的聚丙烯催化转化为润滑油构成了完整的循环经济闭环。
图1利用废弃的聚丙烯塑料制备润滑油示意图
针对聚丙烯的催化氢解反应，作者尝试了多种金属和载体材料。结果发现Ru/TiO2将聚丙烯转化为液态产品的活性最好。
表1不同金属和载体对聚丙烯氢解产物的影响
图2展示了反应时间对气、液和固体产物产率以及产物分子量的影响。在催化剂添加量较高（塑料/催化剂比重=20）时候，产物的分子量下降较快。通过调控催化剂的添加量可以有效调控产物分布。图3展示了液态产物的核磁和红外光谱，根据实验结果作者提出：聚丙烯在催化剂表面发生动态的吸附和脱附过程和内部C-C键断裂，聚丙烯立体规整性的打破是发生氢解反应的先决条件。
作者通过集成GC-MS，FT-IR, NMR, 2D-NMR, GPC, DSC和同位素标记实验等研究手段解析催化反应过程：逐级氢解聚合物为低分子量的产物直至分子量为~700-800g/mol的液体产物，同时液体较慢裂解为小分子气体产物甲烷和乙烷。聚丙烯碳链中脱甲基反应可减少叔碳数量从而降低液体产物进一步C-C裂解为小分子产物甲烷和乙烷的可能性。这也是高产率液体产物的关键。
图2.（a）和（b）反应时间对气、液和固体产物产率的影响。（c）和（d）反应时间对产物分子量的影响。
图3液态产物的核磁和红外光谱
分别使用无定形聚丙烯、聚丙烯塑料袋和聚丙烯瓶作为原料时，润滑油的产率都可以达到60%左右，最高可达80%（图4）。所获润滑油产物性能可以通过改变氢解时间进行调控。
图4 原料对氢解产物的影响
02
结论
这项研究证明Ru/TiO2催化剂可以将废弃聚丙烯塑料高效转化为润滑油产品。该体系可以直接转化不同类型的聚丙烯塑料，为废弃塑料的资源化利用提供了一条有效途径。此外作者提出利用集成GC-MS，FT-IR, NMR, 2D-NMR, GPC, DSC和同位素标记实验等研究手段解析催化反应过程，可为废塑料催化反应机理研究提供新思路。
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.1c00874
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