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自工業(yè)革命以來，人類大量使用煤、石油、天然氣等化石能源，獲得電能、塑料和農(nóng)藥等社會發(fā)展所必需的能源和物資。但人類在滿足自身需求的同時卻產(chǎn)生大量的廢棄物，嚴重破壞自然界自身的“碳循環(huán)”平衡，進而引發(fā)氣候變暖、生態(tài)破壞等一系列環(huán)境問題。其中，塑料的廣泛使用和大規(guī)模遺棄也使其成為全球性環(huán)境治理難題之一。每年全球新增塑料制品產(chǎn)量超過4億噸，具有強度高，穩(wěn)定性好的優(yōu)點，但在廢棄后卻因具有耐久性強、難降解的特性，長期滯留于自然環(huán)境中，造成嚴重“白色污染”。

同時，海洋塑料垃圾、微塑料顆粒、堆填場滲濾液等二次污染問題日益嚴重，威脅生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定與人類健康安全。根據(jù)聯(lián)合國環(huán)境署預(yù)測，若無有效干預(yù)，至2040年全球環(huán)境中的塑料廢棄物總量將翻倍增長。如何破解復(fù)雜塑料廢棄物回收利用難題，已成為實現(xiàn)綠色低碳發(fā)展和“雙碳”目標的重要課題。

目前，在社會可持續(xù)發(fā)展的目標驅(qū)動下，由傳統(tǒng)化石資源轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的廢棄塑料，也不應(yīng)該再以廢棄物、污染物的形式遺棄在自然環(huán)境之中，而應(yīng)作為重要碳資源加以利用。另一方面，塑料分子結(jié)構(gòu)中存在高度有序的碳氫結(jié)構(gòu)，我們應(yīng)將塑料廢棄物視為有價值的碳資源，可以通過保留一部分廢塑料分子的碳-碳骨架，從完成了生命周期的廢塑料中生產(chǎn)有用的化學(xué)品或燃料。通過這樣的升級轉(zhuǎn)化，不僅能夠緩解廢塑料造成的環(huán)境問題，還能高效利用廢塑料中的含碳氫資源，邁向真正的循環(huán)經(jīng)濟。

當前，塑料廢棄物回收技術(shù)主要包括物理回收、熱能回收及化學(xué)轉(zhuǎn)化回收三類。其中化學(xué)轉(zhuǎn)化回收雖具有回收廢塑料中所有化學(xué)元素，并加以高值化的巨大潛力，但大多數(shù)當前正在研發(fā)的化學(xué)回收路線僅適用于特定的塑料結(jié)構(gòu)。當化學(xué)轉(zhuǎn)化回收過程遇到真實混合廢塑料時，往往受限于真實混合廢塑料成分復(fù)雜、性質(zhì)差異顯著，而缺乏通用性強、過程可控的轉(zhuǎn)化路徑，目前只在少數(shù)塑料制品完成了回收轉(zhuǎn)化過程。

在科學(xué)研究層面，塑料聚合物盡管種類繁多，但其化學(xué)結(jié)構(gòu)存在官能團差異和分子構(gòu)型異質(zhì)性，這為正交分級解聚和定向轉(zhuǎn)化提供了可能。過去，受限于表征手段與轉(zhuǎn)化策略不足，難以實現(xiàn)對復(fù)雜混合廢棄物中多官能團的精準識別與選擇性轉(zhuǎn)化。如何打破這一技術(shù)瓶頸，發(fā)展兼具普適性、高效性與經(jīng)濟性的廢棄碳資源化轉(zhuǎn)化策略，是當前循環(huán)經(jīng)濟的重要方向。

在這一背景下，《自然》（Nature）雜志近日刊發(fā)了首篇關(guān)于真實混合廢塑料高值化轉(zhuǎn)化的研究成果。北京大學(xué)馬丁教授團隊領(lǐng)銜開發(fā)出核磁共振識別下的真實混合廢塑料正交轉(zhuǎn)化策略，實現(xiàn)了面向真實生活混合塑料廢棄物的高效、高值化學(xué)品定向升值轉(zhuǎn)化。該策略以固態(tài)核磁共振的二維技術(shù)精準識別混合塑料中的酯鍵、芳香環(huán)、氯代烷烴、烷基鏈等關(guān)鍵官能團分布，進而針對性設(shè)計正交化學(xué)反應(yīng)路徑，依托溶劑萃取、光催化氧化、催化胺化、皂化、脫氫偶聯(lián)及加氫裂解等多步驟有機整合，逐級分離轉(zhuǎn)化，最終聯(lián)產(chǎn)多類高值化學(xué)品。

研究團隊從模型體系出發(fā)，設(shè)計了完備的識別和轉(zhuǎn)化路線。繼而以20克來自人類生活的真實混合塑料廢棄物樣品為例，成功將聚苯乙烯、聚乳酸、聚氨酯、聚碳酸酯、聚氯乙烯、PET、聚烯烴等多類塑料，正交分級轉(zhuǎn)化獲得苯甲酸（1.3g）、鄰苯二甲酸酯（0.5g）、丙氨酸（0.7g）、乳酸（0.7g）、芳香胺鹽（1.4g）、雙酚A（2.0g）、對苯二甲酸（2.0g）及 C3-6 烷烴（3.5g）等多種高值化學(xué)品。其中，多項產(chǎn)物為重要化工原料及醫(yī)藥中間體，經(jīng)濟附加值遠超常規(guī)熱裂解所得的低值氣體與燃油產(chǎn)品，大幅提升廢棄塑料資源化的經(jīng)濟性與環(huán)境效益。

該方法普適性強，適配多種真實廢棄物樣本。進一步研究顯示，該策略對來自日常生活、石化企業(yè)、汽車維修、紡織工業(yè)等不同來源的包含印刷顏料、染色劑、增塑劑、生物質(zhì)等雜質(zhì)的各種復(fù)雜真實塑料廢棄物樣品同樣適用。核磁共振可快速識別不同樣本中主要官能團結(jié)構(gòu)，然后設(shè)計正交轉(zhuǎn)化路徑，靈活調(diào)整反應(yīng)路線，高效聯(lián)產(chǎn)高值化學(xué)品。驗證結(jié)果表明，該策略具有良好的普適適配性與應(yīng)用推廣潛力。

本項研究突破了長期困擾混合塑料廢棄物高值化回收的技術(shù)瓶頸，提出了官能團識別+目標產(chǎn)物定向+正交反應(yīng)路徑設(shè)計的整體耦合方案，為復(fù)雜塑料廢棄物回收利用提供了全新范式。未來，團隊將圍繞正交轉(zhuǎn)化策略，系統(tǒng)評估工藝能耗、碳排放、回收效率及生命周期環(huán)境效應(yīng)，持續(xù)優(yōu)化工藝體系，助力塑料資源化技術(shù)向高值化、低碳化、循環(huán)化方向升級，切實服務(wù)國家雙碳戰(zhàn)略與全球可持續(xù)發(fā)展目標。

“我們希望通過這一技術(shù)，不僅推動學(xué)術(shù)前沿研究，更要為全球塑料污染治理和‘雙碳’目標實現(xiàn)，提供具備現(xiàn)實產(chǎn)業(yè)價值的解決方案?！?—— 馬丁教授團隊表示。

Nature同期發(fā)文評論 “該成果是應(yīng)對全球年產(chǎn)巨量塑料問題的重要進展。”

該論文第一作者為北京大學(xué)特聘副研究員張梅琦和中科院大連化物所博士后周易達。論文通迅作者為北京大學(xué)馬丁教授，王蒙副研究員，中科院大連化物所徐舒濤研究員。該研究工作獲得國家自然科學(xué)基金、北京市重點基金、騰訊基金會科學(xué)探索獎、新基石研究員項目、北京分子科學(xué)國家研究中心等資助。

原文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-025-09088-7