【白色污染】我国科学家在40小时内将“塑料垃圾”完全降解，并变成燃料( 二 ) 聚乙烯|科学家

废旧塑料光降解机理
图3. 纯聚乙烯光降解为CH3COOH机理研究。采用（A）纯水和（B）甲醇为溶剂进行原位ESR谱检测中间产物；采用少量（D）H218O和（E）18O2进行原位红外（C）分析中间产物；（F）用少量D2O进行产物质谱分析。
为了深入了解在模拟自然环境下，聚乙烯光催化转化为CH3COOH的机理，研究者采用原位表征技术分析反应中间产物。原位电子顺磁共振（ESR）光谱显示在聚乙烯光转化过程中形成了?OH和O2?-自由基，这是由于在催化剂Nb2O5原子层价带中的光激发空穴可以将H2O氧化成?OH自由基，而导带中的光生电子可以将O2逐渐还原为O2?-、H2O2和H2O 。
为了确认CO2的来源，研究者进行了同位素标记实验，采用同步辐射-真空紫外光电离质谱法（SVUV-PIMS）来分析纯聚乙烯光转化过程中的微量反应产物，发现CO2的氧原子既可以来源于H2O也可以来源于O2 。
图4. （A）Nb2O5原子层的能带边缘位置以及在pH=7时CO2、H2O、H2O2和O2氧化还原电势；（B）在模拟的自然环境下，纯聚乙烯转化为CH3COOH的两步C-C裂解和耦合机理。
根据以上分析，研究者提出了在模拟自然环境下，纯聚乙烯光转化为CH3COOH的两步反应机理：在Nb2O5的催化下，在O2和?OH自由基的作用下，纯聚乙烯中的C-C键发生氧化断裂形成CO2 ，与此同时， O2逐步被还原成O2?-、H2O2和H2O 。随后在?COOH中间产物的作用下，产生的CO2通过光诱导C-C偶联反应被还原为CH3COOH ，与此同时， H2O被氧化成O2 。
小结
废旧塑料在自然界中的降解时间为250~500年，为了解决废旧塑料对环境造成的污染以及对人类健康的危害，中科大谢毅院士课题组在模拟自然环境下，以Nb2O5为催化剂，基于光诱导C-C裂解和偶联机理，将一次性塑料袋、餐盒、保鲜膜等塑料垃圾转化为CH3COOH ，整个过程只需要40 h 。他们通过原位表征和同位素实验，提出纯聚乙烯光转化为CH3COOH的两步反应机理。这一研究为废旧塑料低成本处理以及变废为宝提供了新途径。当然目前还原得到C2燃料的产率还比较低，未来可以通过合理设计双组分光催化剂，用于实现塑料废弃物在自然环境下高效光转化为多碳燃料。