剑桥新发明:太阳一照就能把废塑料变燃料

塑料是不容忽视的白色污染。据资料统计，2023 年全球塑料年产量在 4 亿吨以上，但其中被回收利用的塑料仅占 18%，其余的塑料通常被焚烧、填埋或泄漏到自然生态系统，可能在环境中存在数十年甚至上百年。

近日，英国剑桥大学团队为解决全球塑料垃圾问题提供了一种新方案。他们研发了一种太阳能反应器，利用从废旧汽车电池中回收的酸液能够分解传统方法难以回收的塑料垃圾，例如饮料瓶、尼龙、聚氨酯（PU）等，并将它们转化成清洁的氢燃料和具有工业价值的乙酸。

该研究的关键创新在于，研究人员设计了一种不含贵金属的高效光催化剂（CoMoS₂-CNₓ），它不仅能耐受强酸，还能通过太阳能驱动分解废旧汽车电池中的酸。实验结果显示，产氢量高、选择性高，连续运行 260 小时仍能保持性能不衰减。

该方法由太阳能驱动，成本比现有化学方法低 1 个数量级，且酸液可重复利用。这种方法创建了一个新的循环经济系统“废酸分解废塑料”，有望成为塑料升级回收的补充方案。相关论文发表于 Joule。

未来或许可以在社区里建一个小型装置，把收集来的塑料瓶扔进去，加上回收的废酸，太阳一晒，就能产出氢气和醋酸。这样既处理了垃圾，又产生了能源和化学品，还产生了经济收益。

以往的研究中，在强酸条件下稳定运行的光催化体系极为少见，因为它会溶解所有物质。长期以来酸被用于分解塑料，但问题在于，此前领域内尚未找到一种兼具廉价、大规模生产以及耐受酸的光催化剂。

这项研究源于研究人员的一次偶然发现。研究团队在硫氰酸钾盐熔处理过程中，以原位生成的硫化氢气体为硫源，直接在氰胺功能化的氮化碳骨架内将金属氧化物前体硫化处理，成功制备出钴促进的二硫化钼复合氮化碳光催化剂。

他们首先用汽车电池废酸对废塑料进行处理，将长聚合物链分解为乙二醇等化学构件，然后在阳光照射和光催化剂作用下，再将这些成分进一步转化为氢气和乙酸。

新型催化剂不仅解决了酸的稳定性难题，还展现出优异的催化活性，在 405 纳米 LED 光照条件下，从聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）废料中产生的氢气产率可达每克催化剂 1.9 毫摩尔，量子产率为 9.0%，在 PU 的产氢量可达每克催化剂 4.2 毫摩尔。

需要了解的是，在光重整体系中，大多数体系产物是复杂的混合物，而新型催化剂作用下，醋酸选择性高达 89%。

与传统的碱性水解相比，酸解速度提升了 3.5 倍，且对苯二甲酸会从水解液中直接沉淀析出，无需额外的 pH 调节步骤。值得关注的是，它在连续运行 260 多个小时期间，性能仍未表现出下降趋势。

现有的技术难以处理 PET 以外的塑料，而该方法对多种类型的塑料废弃物具有普适性，例如目前难以回收的尼龙和 PU 等塑料成分。研究人员对相关成分进行了测试，在这种太阳能反应器的作用下，不仅可产生高产氢量还同步生产高选择性的乙酸。

该方法除了适用于新的实验室级酸之外，也可对从汽车电池中回收的酸发挥作用。通常来说，这些电池的酸含量在 20% 到 40% 之间（按体积计），每年在全球范围内被大量更换。人们通常会将汽车电池中的铅提取出来再次出售，但酸在安全中和后会产生额外的废物。