当前，全球塑料产量已超90亿吨，而约70亿吨被遗弃或填埋成为混杂废弃物，对生态系统造成严重危害。废弃塑料回收对环境修复和相关产业发展具有重大意义，但现有技术无法直接回收受污染混杂废塑料，均需在回收前对其进行分拣、清洗等预处理，而预处理过程成本高、耗时长和耗能高，且回收后的塑料通常会导致质量大大降低。相对塑料回收而言，废弃混杂塑料的升级再造策略则为其管理与增值利用带来新希望，可以将废弃混杂塑料直接转化为烯烃单体和其它增值化学品等。但现有方法存在高能耗、贵金属参与、高压（2-6MPa）和低催化剂稳定性（≤5轮）等问题，特别是尚无法实现高杂质含量的填埋混杂废塑料的直接升级回收。因此，如何经济、低耗的高效利用未经分离处理的混杂废塑料成为解决全球白色污染的关键难题，引起科学家的广泛关注。
近日，理化所油气中心三次采油课题组马望京等人与牛津大学、清华大学等高校合作，另辟蹊径，从原子簇-氧化物的独特协同催化效应出发，采用简单、经济的原位构筑方法设计合成了强微波吸收和高催化活性的廉价的锌团簇/氧化锌（Zn/b-ZnO）复合催化剂。在低功率微波场中有效实现了微波能向催化剂的“选择性”定向传输，成功将填埋场混杂废塑料和农膜解聚升级回收为烯烃单体（选择性：60-80%）和基础润滑油前驱体（产率：46-60 wt%）。得益于Zn原子簇优异的化学键活化能力、原子簇金属位点的电场增强以及锌团簇/氧化锌的协同催化效应，研究人员在280°C、常压和低能耗（是传统热催化能耗的1/8）的温和条件下成功实现了混杂废塑料的“选择性”解聚，催化性能优于多数贵金属催化剂。更重要的是，Zn/b-ZnO在温和条件下对聚烯烃塑料C-H和C-C键的强断裂能力，有效抑制了积碳的生成，赋予了Zn/b-ZnO催化剂良好的稳定性（超过50个连续循环）和250 gplastic g-1 catalyst的塑料解聚周转数。
相关工作首次报道了微波协同Zn/ZnO强化催化填埋场受污染废塑料“增值”利用策略，为经济、低能耗的化学回收和升级利用混杂废塑料以及传统意义上难以回收的其它聚合物如农林生物废弃物，废旧纤维等提供了新思路。其研究及产业化开发有望推动混杂塑料废弃物循环利用，城市垃圾分类、填埋场废塑料和难处理的多元复合材料的直接回收利用，具有潜在的经济价值和社会效益。
研究成果近日以Highly selective upcycling of plastic mixture waste by microwave-assisted catalysis over Zn/b-ZnO为题在国际学术期刊Nature Communications上在线发表。理化所为第一完成单位；该文章通讯作者为理化所马望京副研究员、牛津大学肖天存研究员和清华大学唐军旺教授。理化所特别研究助理赵俊和中国石油大学（北京）刘博男副教授为文章共同第一作者。
该工作得到国家自然科学基金、国家自然科学青年基金、北京市科委、中国科学院理化所所长基金和企业委托项目等的资助。
此外，理化所团队近几年围绕微波驱动热催化，在废旧聚烯烃塑料回收、废旧聚氨酯回收、农林废弃生物质利用、生物醇类转化制烯烃和工业废盐资源化等废弃物资源化领域相继取得一系列新进展，相关结果陆续发表（Advanced Materials, 2024, 2412539；Chemical Engineering Journal, 2024, 483, 149270；Energy Conversion and Management. 2024, 312,118571；Journal of Environmental Chemical Engineering, 2024, 12, 112099；Industrial Crops & Products, 2024, 222, 119899；Green Chemistry, 2025, 27, 1838）。共申请中国发明专利十余项。
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-55584-1
图 1. LDPE （从垃圾填埋场挖出）微波催化解聚的连续循环。(a) 微波催化解聚过程。(b) 产品产量和转化率。(c) 气体产物选择性。催化剂与塑料的质量比为： Zn/b-ZnO: 塑料 =10 g: 40 g。 C2H4, C3H6, C4H8代表乙烯、丙烯、丁烯，C2-C4代表乙烷、丙烷和丁烷。(d) 本研究和其他代表性研究工作在不同反应温度下每小时每克催化剂的油收率总结(g g-1 cat h-1) (mSiO2/Pt/SiO2) (压力反应器，ref. 12)、Ru/TiO2(压力反应器，ref. 14)、Ru/HZSM5 (压力反应器，ref. 35)、Ru/C (压力反应器，ref. 42)、mSiO2/Pt-X/SiO2 (压力反应器，ref. 43)、Pt/Al2O3 (压力反应器，ref. 44)、ZSM5 (微波反应器，ref. 24)、SiC/MgO (微波反应器，ref. 46)、NiO/HY (微波反应器，ref. 46)、AC/zeolite (微波反应器，ref. 23)、SiC/ZSM-5 (微波反应器，ref. 47)。
图 2. PP 和混杂废塑料（从垃圾填埋场挖出）的微波催化解聚。(a) 废塑料和相应油品的图像。(b, c) 混杂塑料和 PP 的产品产量和转化率。催化剂与塑料的质量比为：Zn/b-ZnO: 混合塑料=10 g: 40 g, b-ZnO: PP = 10 g: 50 g。
图 3. 微波催化升级回收结果和工艺能量效率。(a) LDPE（从垃圾填埋场挖出）、(b) 混杂塑料（从垃圾填埋场挖出）和 (c) PP 在不同循环下的微波催化升级再造油品的模拟蒸馏气相色谱结果。LDPE（从垃圾填埋场挖出）(d-f)、混杂塑料（从填埋场挖出）(g-h)和PP (i-n) 在不同循环中微波升级再造获得油产物的碳数分布。(o) 微波 （280 °C） 和传统热 （450 °C） 催化过程的耗电量。
图 4.塑性解聚不同循环后所用 b-ZnO 催化剂的特性。(a-c) 原始和使用后 b-ZnO 的 HAADF-STEM 图像和 50 次循环后 b-ZnO 的 (d-e) HAADF-STEM 图像，b-ZnO 上的 Zn 簇由红色圆圈标记。(f) 相应的元素映射（Zn 为红色，O 为绿色，C 为蓝色）。
图 5. 提出的反应途径。Zn/b-ZnO 催化剂中 b-ZnO (a0-a5) 和 Zn (b0-b3) 的协同催化塑性解聚反应途径示意图。
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