甲醇原位产氢辅助聚苯乙烯高效降解制备烷基苯

聚苯乙烯（PS）具有热稳定性好、轻便和价格低廉等优势，因而广泛用于日常生活中。例如，作为食品包装盒、泡沫保温箱和建筑材料等。据统计，每年生产的PS塑料占据了全球塑料制品市场份额的6%，然而其废弃后的回收率低于1%。目前，废弃PS大约占被填埋的废弃塑料总量的三分之一，给地球的生态环境带来了严重的污染，对动物和人类的健康也造成潜在的威胁。将废弃PS塑料转化为高价值的芳香烃是一种非常有前景的废弃塑料资源化手段。目前通过化学回收PS面临仍诸多挑战，例如高温下催化剂易积碳失活、需要使用有机溶剂或者均相催化剂以及转化率低等问题。因此，设计反应流程优化PS的化学回收制备高价值的烷基苯具有重要的意义。

近日，中国科学技术大学的曾杰教授和李洪良副教授报道了一种全新的PS降解路径，构建了钌负载二氧化硅催化剂（Ru/SiO₂）用于甲醇原位产氢辅助PS降解高效制备烷基苯。在280 ℃下经过6 h的反应后，液相产物的收率达到93.2 wt%。其中，主要产物为高价值的烷基苯 (单环芳烃和二苯代烷)，选择性达到84.3 wt%。

图1. 在280 ℃下Ru/SiO₂催化PS氢解、PS热解和甲醇辅助PS降解反应6 h后的性能对比

通过热解方式降解PS面临反应速率慢以及催化剂积碳的问题。同时，PS主链脱氢芳构生成的稠环和联苯类物质限制了苯环的回收率。然而，PS氢解又面临着苯环的过度加氢问题。作者通过理论分析发现以甲醇作为氢载体辅助PS降解相比于热解的热力学更优。同时，甲醇原位分解产生的氢物种能抑制PS主链的芳构化，进而避免积碳的生成。相比于氢解，甲醇原位分解产生的低氢分压能抑制苯环的过度加氢化，从而提高烷基苯产物的选择性。实验结果表明，在引入甲醇之后，液相产物的收率（PS热解为49.6 wt%、PS氢解为41.6 wt%、甲醇辅助PS降解为93.2 wt%）、单环芳烃和二苯代烷的选择性（PS热解74.7 wt%、PS氢解51.4 wt%、甲醇辅助PS降解为84.3 wt%）均有显著提升。

图2. Ru/SiO₂催化甲醇辅助PS降解的反应路线

作者评估了Ru/SiO₂用于商用废弃PS降解的催化性能，包括试管、量杯、瓶子和泡沫塑料等。将上述样品剪成厘米大小的碎片，在280 ℃下经过6小时的催化测试，各种商用废弃PS都几乎完全降解。其中，降解试管、量杯、瓶子和泡沫塑料后的液相产物收率分别达到93.5 wt%、95.6% wt%、97.6% wt%和97.9% wt，证明Ru/SiO₂催化的甲醇辅助PS降解策略用于商用废弃塑料回收的普适性。

图3. 反应时间、反应温度以及不同商用废弃PS对Ru/SiO₂催化甲醇辅助PS降解性能的影响

该工作通过新反应路径的构建和反应机理的解析，提出了一种甲醇原位产氢降解PS制备烷基苯的策略，有助于未来探索能耗更低且更高效的PS回收工艺。

这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者是中国科学技术大学博士生曾琳、颜涛和杜俊杰。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Recycling Valuable Alkylbenzenes from Polystyrene through Methanol-Assisted Depolymerization

Lin Zeng, Tao Yan, Junjie Du, Chengyuan Liu, Bin Dong, Bing Qian, Zhou Xiao, Guangning Su, Tao Zhou, Zijun Peng, Zhandong Wang, Hongliang Li, Jie Zeng

Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202404952

导师介绍

曾杰

https://www.x-mol.com/university/faculty/73363