北京大学与南开大学联合，开发PVC废塑料回收处理新方法

近日，北京大学化学与分子工程学院马丁教授课题组与南开大学环境科学与工程学院展思辉教授课题组在Nature Sustainability合作发表了题为“Catalytic cascade depolymerization for sustainable recycling of waste polyvinyl chloride”的研究论文。该工作开发了一种新型La-Fe-Al氧化物催化剂，通过活化过氧硫酸盐PMS实现水中PVC的高效氧化解聚为CO2、无机氯化物和烃类液相产物，为传统回收方法难处理的含氯废塑料提供了新的解决方案。

— 1—研究介绍

基于过氧硫酸盐PMS氧化剂的高级氧化过程（advanced oxidation process，AOP）可用于在温和条件下处理水中难降解的有机污染物，传统的AOP过程存在活性氧物种活化效率低、完全氧化产物价值低等问题。

本文开发了一种LaFexAl1-xO3催化剂，通过在LaAlO3结构中引入Fe，可在原晶格中形成畸变的Al-O-Fe结构，这一结构能显著促进过氧硫酸盐的活化，形成1O2和·OH两类自由基活性氧物种。这一催化剂活化的PMS可用于水相中聚氯乙烯PVC塑料粉末的解聚处理，在室温、常压氧气条件下，经过3天可有效降解超过95%的PVC塑料，其中PVC中碳组分生成了约39%的CO2和59%的烃类为主的液相有机产物，氯组分转化为了无机物。

示意图

— 2—反应原理

该研究团队创新性地设计出LaFe0.3Al0.7O3（LFAO）钙钛矿催化剂，通过引入铁元素形成独特的Al-O-Fe晶格畸变结构，在原子尺度构建出高效的电子传输通道。这种结构应变工程使催化剂在室温条件下即可激活过一硫酸盐，同步产生单线态氧（¹O₂）和羟基自由基（·OH）两种活性氧物种，形成独特的“双氧协同”机制。

图1：活性氧在催化过程中的协同生成与作用机制

在降解过程中，单线态氧优先攻击并断裂PVC分子中稳定的碳-氯键，实现温和条件下的深度脱氯；羟基自由基则随即对聚合物骨架进行氧化裂解，形成自驱动的级联反应。

实验显示，经过84小时反应，原本顽固的PVC塑料最终转化为39%的二氧化碳和54%的C6-C12烃类燃料，且液相产物中氯含量降至极低水平。尤为重要的是，整个转化过程在常温常压下进行，无需额外能量输入，实现了“塑料自裂解”的绿色循环。

图2：PVC不同处理工艺的生命周期对比

生命周期评估（Life-cycle assessment，LCA）结果表明，这种处理方法相比于PVC传统的焚烧、填埋降解处理等过程，可至少降低45%的碳排放和51%的回收处理成本。

这项发表于《自然·可持续发展》的研究不仅建立了“从污染塑料到高值化学品”的全新转化路径，更通过催化剂结构设计原理的创新，为发展塑料循环经济提供了普适性策略，展现出向聚烯烃、聚酯等其他难降解塑料体系推广的巨大潜力。