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导读
聚苯乙烯富含芳香结构，是制备芳烃化学品的重要原料，广泛应用于包装材料、一次性塑料制品、电子电器等领域。实现聚苯乙烯废弃物的高值化利用，对消减塑料污染、推动碳资源循环利用具有十分重要的现实意义。传统热解过程通常需要较高温度，反应过程中容易生成大量多环芳烃与积炭，存在产物组分复杂、目标产物选择性难以调控等难题。如何在较为温和的反应条件下实现聚合物链的高效断裂，同时保留芳环结构并抑制副反应，是聚苯乙烯催化提质转化亟待攻克的关键挑战。
针对上述技术瓶颈，于吉红院士团队联合北京大学马丁院士将多级孔催化剂设计与反应性溶剂共转化相结合，构建了Beta@mSiO2核壳催化体系。团队通过两相界面包覆方法，在Beta分子筛表面引入厚度可调的介孔二氧化硅壳层，形成微孔与介孔协同的多级孔结构。其中，分子筛提供启动共转化反应所需的Brønsted酸位点，介孔外壳既能够强化底物吸附能力，又可优化体系传质效率，促使聚苯乙烯及其裂解中间体能够充分接触分子筛外表面以及核‑壳界面处可及的酸性位点，同时有效缓解积炭问题。通过调控介孔壳层厚度，实现孔道结构、底物可接近程度与催化性能的协同优化（图1）。
图1：多级核壳结构Beta@mSiO₂分子筛催化剂用于聚苯乙烯、对二甲苯催化共转化
催化性能评价结果显示，优化后的Beta@2mSiO₂催化剂在280 ℃下反应4 h，共转化体系的总液体产物收率可达92.8%，单环芳烃选择性达到99.8%，有效抑制了多环芳烃的生成。在该体系中，对二甲苯同时发挥溶剂与共反应物双重功能，其转化中间体可与聚苯乙烯解聚产物共同构建以单环芳烃为主的液相产物，为减少因引入其他溶剂产生的额外副产物、减轻后续产物分离压力提供了新思路。
研究团队进一步结合原位红外光谱、模型化合物实验及密度泛函理论计算，探究了对二甲苯促进聚苯乙烯转化的作用机制。结果表明，对二甲苯在分子筛Brønsted酸位点上被活化，经脱烷基及烷基转移过程参与聚苯乙烯的解聚与烷基化反应。理论计算显示，在所考察的模型反应路径中，对二甲苯辅助路径的关键活化能垒由直接酸催化路径的111.0 kJ·mol⁻¹降低至83.9 kJ·mol⁻¹，揭示了反应性溶剂促进碳—碳键断裂的动力学优势。上述结果证实了由分子筛酸位点启动、对二甲苯参与的碳正离子主导共转化机制，为揭示溶剂‑聚合物之间的协同反应规律提供了理论支撑。
在实际废塑料转化方面，该催化体系对一次性塑料杯、泡沫包装材料、细胞培养板、饮料杯盖等多种真实聚苯乙烯制品均展现出优异的液相产物收率。以一次性塑料杯作为原料开展催化剂循环稳定性测试，催化剂历经五次再生后依旧维持较高催化活性，晶体与孔道结构均得到较好保留，证明该工艺具备处理真实聚苯乙烯固废的应用前景。
该工作通过多级孔催化剂结构与反应性溶剂的协同设计，将聚苯乙烯解聚过程和芳烃共转化过程有机耦合，为废弃聚苯乙烯定向制备高附加值单环芳烃提供了新路径，同时也为聚合物催化转化过程中反应介质遴选、催化剂结构优化设计提供重要借鉴。
相关研究成果以“p-Xylene-Assisted Co-Conversion of Polystyrene to Monocyclic Aromatics on Hierarchical Zeolite-Based Catalysts”为题发表于《CCS Chemistry》。吉林大学化学学院博士生王晨竹、未来科学国际合作联合实验室博士后高明坤为论文共同第一作者，吉林大学化学学院于吉红院士、北京大学马丁院士和天津工业大学梅东海教授为共同通讯作者。
全文链接：//doi.org/10.31635/ccschem.026.202608284
来源：吉林大学
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