
近日,复旦大学张士成教授团队联合英国约克大学等合作单位,在废旧聚苯乙烯化学回收制备高值单体方面取得重要进展。相关成果以 Upcycling of Polystyrene to Styrene via a Lewis Acid-Base Synergistic Catalyst ZAS-16(Vo) in Aromatic Solvents 为题,发表于 ACS Sustainable Chem. Eng.(DOI:10.1021/acssuschemeng.6c02655)。该研究提出了一种溶剂辅助催化策略,设计了富含氧空位的缺陷型锌铝尖晶石催化剂 ZAS‑16(Vo),在芳香溶剂中实现了聚苯乙烯(PS)向苯乙烯单体的高效、高选择性解聚。
面向白色污染治理和塑料循环经济目标,将废旧聚苯乙烯化学回收至苯乙烯单体,是推动废塑料闭环循环的重要方向。其中,催化热解是当前主流路线,然而,聚苯乙烯解聚涉及C-C键断裂和反应路径控制,单一酸性催化剂容易引发芳烃副反应,降低苯乙烯选择性;而单一碱性催化剂则易导致解聚链过早终止,难以获得高转化率。如何在同一催化界面上协同调配酸、碱活性位点,是实现转化率与选择性同时突破的关键.

围绕这一关键问题,团队将研究焦点从单纯的活性组分筛选,推进到催化剂表面酸碱性质定向设计与电子结构调控。该研究设计合成了缺陷型尖晶石催化剂 ZAS‑16(Vo),通过氧空位的引入调控催化剂的电子环境,并实现了催化剂表面强路易斯酸位与强度匹配的路易斯碱位的定向设计。同时,引入甲苯作为芳香溶剂,利用其优异的传质能力,有效促进聚苯乙烯链的解缠结、伸展以及链段扩散,克服了传统熔融态下传质受限的问题。结合分子动力学模拟与原位表征,团队揭示了溶剂辅助ZAS‑16(Vo)催化的作用机制。

分子动力学模拟表明,引入甲苯可显著恢复链段移动性并促进链解缠结,有效削弱“笼效应”对产物分子的约束,从而加快苯乙烯的解吸与扩散,抑制二次反应。在此基础上,团队提出了 PS 在 ZAS‑16(Vo) 催化剂上的酸‑碱协同解聚途径。其中路易斯酸位点活化并启动链端解聚,而碱性位点稳定中间体并引导选择性裂解。该研究从酸‑碱协同作用和溶剂调控聚合物动力学的双重视角,为废塑料化学回收提供了一种新的催化剂设计范式,也为发展下一代面向真实塑料废弃物的闭环循环反应体系奠定了重要基础。
论文共同第一作者为复旦大学环境科学与工程系硕士秦昌旭、博士刘佳铭;通讯作者为复旦大学张士成教授。复旦大学环境科学与工程系为第一完成单位。该研究获得上海市东方英才计划拔尖项目(No. BJKJ2024053)的支持。