四年9篇NS正刊，其中3篇《Science》封面、1篇《Nature》封面，今日再发《Nature》，5年第10篇正刊

　　在全世界制造的约83亿吨新塑料中，约60%最终变成了垃圾，如果处理不当，可能会危害环境和生物多样性。解决塑料垃圾问题是当今社会重点关注的问题。解聚是一种很有前途的策略，可以将废塑料回收成用于后续再聚合的组成单体。然而，许多商品塑料不能使用传统的热化学方法进行选择性解聚，因为难以控制反应进程和途径。虽然催化剂可以提高选择性，但它们容易受到性能下降的影响。

　　鉴于此，马里兰大学胡良兵教授与普林斯顿大学琚诒光教授提出了一种无催化剂、远离平衡的热化学解聚方法，可以通过热解从商品塑料（聚丙烯(PP)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)）中生成单体。这种选择性解聚过程通过两个特征实现：(1)空间温度梯度和(2)时间加热曲线。空间温度梯度是使用多孔碳毡的双层结构实现的，其中顶部电加热层产生热量并将热量向下传导到下面的反应器层和塑料。由此产生的温度梯度促进塑料在遇到穿过双层的升高温度时持续熔化、芯吸、蒸发和反应，从而实现高度解聚。同时，脉冲电流通过顶部加热器层会产生一个时间加热曲线，该曲线具有周期性的高峰值温度（例如，约600°C）以实现解聚，但瞬态加热持续时间（例如，0.11s）可以抑制不需要的副反应。使用这种方法，作者将PP和PET解聚成相应的单体，产率分别约为36%和43%。总体而言，这种通电时空加热(STH)方法可能为全球塑料垃圾问题提供解决方案。相关研究成果以题为“Depolymerization of plastics by means of electrified spatiotemporal heating”发表在最新一期《Nature》上。Qi Dong, Aditya Dilip Lele, Xinpeng Zhao, Shuke Li为本文共同第一作者。

　　首先，在STH这个过程中，双层多孔碳毡被放置在固体塑料反应物储库的上方（图1a）。然后，作者对顶部的碳加热器层施加脉冲电流，产生的热量传导到底部的碳反应器层和底层的塑料反应物，形成垂直分布的空间温度梯度。这种温度梯度使塑料在储层中融化，并通过毛细管力不断向上渗透到底部碳反应器层的多孔纤维网中。当液体聚合物在逐渐向上移动时经历足够高的温度时，塑料就会分解。随着温度升高，挥发性物质进入气相，继续通过多孔结构扩散并与反应器层的较高部分相互作用，以及顶部碳加热器层进一步开裂。

　　在这些区域中，快速加热脉冲（例如，高加热速率103 °C s -1，PP的T peak高达约600 °C，PET的T peak高达约1050 °C）提供足够的能量来破坏C-C或连接单体片段的C–O键。同时，与使用连续加热的操作相比，每个脉冲周期中的瞬态加热持续时间（0.11s）可能会降低能源成本，更重要的是，可以防止反应接近化学平衡，防止副反应的发生。通过快速冷却，可以更强烈地减慢速度，导致高单体选择性。此外，双层结构内的连续熔化、芯吸、蒸发和反应过程允许中间产物（即液相和气相中较短的聚合物和低聚物）逐渐向上扩散通过多孔支架，并在过程中经历多次加热脉冲增加停留时间，从而达到高度解聚和改进的单体产率。

　　作为概念证明，作者利用空间和时间上的加热效应，使用STH方法来解聚PP和PET（分别作为聚烯烃和聚酯塑料的模型，其特点是C-C和C-O骨架）。利用STH热解PP和PET，从聚合物到单体的产量分别约为36%和约43%。这些产率明显高于使用传统热化学反应器的连续加热方法报道的产率（在没有催化剂的情况下约为 10% ，在有催化剂的情况下通常低于 25% ）。同时STH 方法具有很强的实用性，在连续操作中表现出良好的可重用性，C3H6单体产率始终很高，接近 36%（图3）。鉴于该方法不需要催化剂，它可能具有良好的系统耐久性和可重用性。

　　通电时空加热方法可用于解聚各种聚烯烃和聚酯——这些材料是使用最广泛的塑料之一，但热化学回收一直具有挑战性。因此，该方法可以为全球塑料垃圾问题提供解决方案。除了解聚塑料外，它还可以扩展到回收或升级各种其他合成聚合物（例如用于制造织物和橡胶的聚合物），以及使用天然大分子合成工业上有用的原料化学品。此外，它有可能扩大规模以使用可再生能源连续运行，使其碳排放量低于传统的基于化石燃料的方法。

　　剩下的挑战是需要解聚不能熔化的热固性塑料。探索如何在空间和时间上调整该方法以从其他热塑性塑料物种生产有用的化学品也将很有趣。值得注意的是，与用于连续加热的设备不同，本文的设备可以微调热脉冲持续时间、频率和温度，以及双层结构中的温度梯度，以促进有用化学品的生产。通过使用数据驱动的机器学习算法、中间物种分析和不同规模的反应动力学建模，可以进一步理解和优化该过程。调整双层材料的特性（例如孔径和分布）也可以改善合成结果。