2023 年，張偉在國外做博士后研究時曾發(fā)表一篇Science一作論文，當(dāng)時他和合作者將塑料分解成了液體燃料。2025 年，時隔兩年之后，已經(jīng)回到母校華東師范大學(xué)擔(dān)任研究員的他再次發(fā)表一篇Science一作論文（兼共同通訊作者）。這一次，他和中外合作者們成功將塑料轉(zhuǎn)為汽油，即通過一步法將難以降解的混合塑料垃圾轉(zhuǎn)化為優(yōu)質(zhì)汽油。在 30℃的溫度條件下，該技術(shù)對于軟質(zhì)聚氯乙烯（PVC，Polyvinyl chloride）管材的轉(zhuǎn)化率達(dá)到 95%，對硬質(zhì) PVC 管材和 PVC 電線的轉(zhuǎn)化率達(dá)到 99%。這讓有毒塑料垃圾能夠通過低能耗工藝轉(zhuǎn)化為燃料，并且只需在室溫和常壓下進(jìn)行即可，能耗還能降低 70% 以上。擔(dān)任此次論文共同通訊作者的美國工程院與歐洲科學(xué)院雙院士約翰內(nèi)斯·萊赫（Johannes Lercher）評價道：“這項技術(shù)就像為塑料垃圾找到了‘化學(xué)剪刀’，能在室溫下快速將高分子鏈切割成汽油分子大小，為全球循環(huán)經(jīng)濟提供重要支撐?！?/strong>

（來源：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adx5285）

與傳統(tǒng)塑料轉(zhuǎn)化燃料技術(shù)相比，這種新方法能耗更低，所需設(shè)備和步驟更少，并且可以實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用。在轉(zhuǎn)化過程結(jié)束之后，所生成的產(chǎn)物包括汽油的主要成分、化學(xué)原料和鹽酸。這意味著其生成物可被用于水處理、金屬加工、制藥、食品生產(chǎn)和石油工業(yè)。由于這種方法只需一步就能將各種塑料垃圾轉(zhuǎn)化為有價值的產(chǎn)物，因此能夠支持綠色經(jīng)濟的發(fā)展。

研究中，為了進(jìn)行轉(zhuǎn)化，張偉等人將塑料垃圾與來自煉油過程的副產(chǎn)品輕質(zhì)異烷烴碳?xì)浠衔锘旌稀＿@一過程產(chǎn)生了“汽油范圍”的碳?xì)浠衔?，它們主要? 到 12 個碳的分子，而這正是汽油的主要成分。另外，被回收的鹽酸可以安全地進(jìn)行中和，并能作為原料進(jìn)行再利用，從而有望取代此前領(lǐng)域內(nèi)的幾種高溫、高能耗的生產(chǎn)路線。

圖 | 張偉（來源：華東師范大學(xué)）

據(jù)了解，聚烯烴在全球塑料產(chǎn)量中占比最高，大約占比50%。而聚烯烴的氯化衍生物——PVC 又占據(jù)了另外約 10%。PVC 可謂是無處不在，從家里的水管門窗、身上的人造革包包、腳上的地板、到手里的銀行卡和電器的電線外皮，都有它的身影。PVC 的氯含量較高（約 57 wt.%，即重量百分比），因此在廢棄處理時，會比其他聚合物引發(fā)更嚴(yán)重的環(huán)境問題。這讓混合垃圾的物理分選與機械回收面臨著一些挑戰(zhàn)，而傳統(tǒng)方法也在經(jīng)濟效益上缺乏競爭力。焚燒等傳統(tǒng)的“垃圾能源化”方法，需要針對PVC 進(jìn)行徹底的脫氯處理，以便防止二噁英、多氯聯(lián)苯等有毒含氯化合物釋放。此外，PVC 的阻燃特性會降低能源回收的效率，導(dǎo)致大量 PVC 最終被填埋處理。鑒于這些挑戰(zhàn)，歐洲化學(xué)品管理局與美國環(huán)境保護署于 2023 年啟動了對 PVC 相關(guān)物質(zhì)監(jiān)管措施的審查，凸顯了解決 PVC 環(huán)境影響問題的緊迫性。

通常，那些將塑料分解為高純度組分的化學(xué)升級路徑，需要單獨地進(jìn)行高溫脫氯步驟。脫氯，指的是從含氯化合物中去除或中和氯元素，它的目的不僅是為了避免產(chǎn)生有害影響，也是為后續(xù)高要求應(yīng)用場景預(yù)處理原料的必要環(huán)節(jié)。而張偉等人本次所提出的策略，可以在一步法過程中將廢棄的PVC 升級為無氯燃料范圍的碳?xì)浠衔锖望}酸。

（來源：華東師范大學(xué)）

這一工藝可在單一步驟中實現(xiàn)PVC 與聚烯烴混合物的完全催化轉(zhuǎn)化，大幅拓展并提升了此前報道的聚烯烴單獨轉(zhuǎn)化技術(shù)的效果。在聚烯烴與異構(gòu)烷烴的反應(yīng)過程中，為了避免反應(yīng)速率過低及引發(fā)過程復(fù)雜等問題，人們通常需要加入少量叔丁基氯（TBC，tert-Butyl Chloride）作為碳正離子引發(fā)劑。而 PVC 的結(jié)構(gòu)類似由多個叔丁基氯單體單元連接形成的長鏈，因此可以作為碳正離子的來源?；谶@一特性，張偉等人將 PVC 與聚烯烴協(xié)同處理，這時無需額外添加引發(fā)劑就能顯著提高聚烯烴解構(gòu)的轉(zhuǎn)化率。至于 PVC 在脫氯過程中生成的碳正離子，則可在低溫下通過連續(xù)的氫化物轉(zhuǎn)移激活聚烯烴鏈，從而不再需要叔丁基氯引發(fā)劑。張偉等人推測，PVC 比例的增加會通過脫氯反應(yīng)生成更多碳正離子，進(jìn)而加快整體反應(yīng)速率。例如，當(dāng) PVC 與聚乙烯的比例為 1:1 時，該混合聚合物可在 30 分鐘內(nèi)實現(xiàn)完全轉(zhuǎn)化，并能生成大約 97 重量百分比的液態(tài)異構(gòu)烷烴。

（來源：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adx5285）

張偉等人在論文中指出，他們將本次研究的重點聚焦于單一步驟的低溫催化轉(zhuǎn)化過程，因此特意沒有考慮原料純度帶來的復(fù)雜性，即本次研究主要致力于驗證該技術(shù)的概念可行性。為了證明這一工藝對于實際廢棄物的適用性，他們在常溫常壓下將多種PVC 使用后產(chǎn)品轉(zhuǎn)化為烷烴。實驗結(jié)果顯示，包括各類軟質(zhì)/硬質(zhì) PVC 管道及 PVC 電線在內(nèi)的使用后 PVC 廢棄物，在 30°C 條件下均表現(xiàn)出相近的反應(yīng)活性。

在實際應(yīng)用中，混合聚合物廢棄物的成分比較復(fù)雜，可能會向離子液體中引入多種添加劑與雜質(zhì)，對于這些成分的具體潛在影響未來還需進(jìn)行單獨分析。張偉等人在論文中指出，添加劑可能會對反應(yīng)速率產(chǎn)生影響，而雜質(zhì)則主要富集在密度更大的離子液體相中。與之相對的是，有機相（即含有有機溶劑的那一層液體）在2 小時內(nèi)能夠生成大量無氯液態(tài)烷烴及氣態(tài)異丁烷。將使用后的 PVC 廢棄物與硬質(zhì)高密度聚乙烯瓶料混合之后，在 80°C 條件下也可實現(xiàn)近乎定量的固體轉(zhuǎn)化率，并且主要產(chǎn)物為異丁烷。需要說明的是，在存在碳正離子的情況下，異戊烷的歧化反應(yīng)是不可避免的，然而這一反應(yīng)主要發(fā)生在反應(yīng)初期階段。盡管產(chǎn)物中約 40%-66% 為氣態(tài)異丁烷，但是這些異丁烷可以與未反應(yīng)的異戊烷一同作為烷基化組分循環(huán)利用，因此這一特性凸顯了該工藝的高效性與可持續(xù)性。

綜上，本次技術(shù)解決了混合塑料廢棄物轉(zhuǎn)化為燃料過程中產(chǎn)物分布這一關(guān)鍵問題，且不會受到原料流中塑料混合物的非均一性或可能導(dǎo)致催化劑改性/中毒的雜質(zhì)影響。在這一反應(yīng)體系中，二氯甲烷可以稀釋離子液體，降低體系黏度與局部傳質(zhì)阻力。同時，二氯甲烷可以和所有輕質(zhì)產(chǎn)物一同從蒸餾產(chǎn)物組分的頂部餾出，從而實現(xiàn)完全回收利用。

（來源：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adx5285）

總體而言，對于混合PVC 與聚烯烴廢棄物的升級回收，本次成果提供了一種具有變革性且可規(guī)模化的單步驟工藝。該工藝通過降低能耗、減少設(shè)備需求與中間步驟，顯著提升了效率與成本效益，進(jìn)而能夠大幅節(jié)能并能降低環(huán)境影響。此外，該方法通過一步法將多種塑料廢棄物轉(zhuǎn)化為高價值產(chǎn)品，同時還能提升產(chǎn)品質(zhì)量，故能為工業(yè)化規(guī)模應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

（來源：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adx5285）

如前所述，張偉是本次論文的第一作者，本次論文的共同通訊作者之一約翰內(nèi)斯·萊赫（Johannes Lercher）也是他在美國從事博士后期間的合作導(dǎo)師。在美期間，張偉曾主導(dǎo)美國能源部廢塑料降解項目及雪佛龍（Chevron）公司二氧化碳加氫合成多碳醇燃料項目，幫助解決了工業(yè)催化中碳資源高效利用的關(guān)鍵科學(xué)問題 [1]。

如今，張偉已經(jīng)在華東師范大學(xué)成立課題組。目前，他主要研究四個方向。

首先是廢棄碳資源（塑料/生物質(zhì)）增值回收，即通過開發(fā)熱/光/電及其催化耦合技術(shù)，實現(xiàn)廢棄塑料和生物質(zhì)的高效解聚與高值化利用，力爭突破催化劑設(shè)計、反應(yīng)路徑優(yōu)化與產(chǎn)物選擇性調(diào)控等關(guān)鍵技術(shù)。

其次是催化重質(zhì)石蠟烷烴裂化與輕質(zhì)烷烴烷基化，即研發(fā)高效催化劑，聚焦重質(zhì)石蠟烷烴的裂化和輕質(zhì)烷烴的烷基化，推動標(biāo)準(zhǔn)汽油生產(chǎn)技術(shù)的創(chuàng)新。

再次是碳一分子（二氧化碳/一氧化碳等）催化轉(zhuǎn)化，即開發(fā)高效、穩(wěn)定的催化材料與反應(yīng)體系，通過研究動力學(xué)及反應(yīng)機理，實現(xiàn)高效轉(zhuǎn)化為高密度能量載體，推動低碳能源技術(shù)創(chuàng)新。

最后是打造將水作為氫源和介質(zhì)的催化反應(yīng)及相關(guān)體系，即研究以水作為氫源和反應(yīng)介質(zhì)的催化反應(yīng)體系，開發(fā)新型催化材料與工藝，探索其在可持續(xù)能源轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用潛力。

此外，據(jù)華東師范大學(xué)介紹，未來張偉將推動綠色催化技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，通過與石化企業(yè)合作進(jìn)行中試放大，實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。同時，他還將利用人工智能技術(shù)開發(fā)更加高效的催化體系，力爭深入揭示塑料轉(zhuǎn)化的原子級機理，努力實現(xiàn)從實驗室到產(chǎn)業(yè)的全鏈條創(chuàng)新。

參考資料：

1.https://faculty.ecnu.edu.cn/_s34/zw2_26077/main.psp

https://mp.weixin.qq.com/s/tNKYvHrZaZp9FWhT3GwGCg

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adx5285