北京大学，今日重磅Nature！

2025-06-27

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全球塑料废弃物的堆积正日益加剧，对野生动植物和生态系统构成严重威胁。

通过催化过程将塑料废弃物转化为高价值化学品和燃料，为解决该危机提供了具有前景的方案。

然而，现实生活中混合塑料的成分和结构高度多样，使其回收与再利用面临巨大挑战。

在此，来自中国科学院大连化学物理研究所的徐舒涛、北京大学的王蒙和马丁等研究者提出了一种以产物为导向的策略，利用混合塑料中不同官能团的反应性“正交性”（orthogonality），实现特定组分的选择性转化，从而获得有价值的目标产物。相关论文以题为“In-line NMR guided orthogonal transformation of real-life plastics”于2025年06月25日发表在Nature上。

塑料，因其优异性能和低廉成本而被广泛应用，全球年产量已达约4亿吨，其中约90%来自不可再生的化石燃料。

尽管其稳定性和耐久性在日常生活中不可或缺，但这些特性也使其难以自然降解，进而造成环境污染。为实现塑料的可持续利用，亟需构建高效的回收策略，使报废塑料重新融入化工与材料工业体系。

当前多数回收或升级利用技术依赖于单一成分塑料，以确保回收产物的产率与品质。

然而，利用专属催化剂将塑料废弃物转化为高价值产品的化学策略，已被证明是应对复杂混合塑料的有前景途径。

尽管如此，现实生活中的废塑料常具有结构与成分的多尺度复杂性，目前仍缺乏直接应对这类体系的有效方法。

因此，除了开发高效的分拣技术外，从混合塑料直接转化为有价值化学品和材料的路径设计成为高度理想的方向。

大多数常见塑料可归类为以下几种：聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚氨酯（PU）、聚苯乙烯（PS），以及如聚碳酸酯（PC）、聚乳酸（PLA）等其他类型。

它们在分子结构及物理化学性质上存在显著差异。目前，混合塑料的回收常采用催化“一锅反应”或分步反应的方式，但这通常要求混合组分具备相似特性（如缩聚型聚合物或芳香族聚合物），否则需依赖高能耗的苛刻条件，且往往只能转化为低附加值产物如合成气或甲烷。

因此，亟需发展一种可从复杂塑料混合物中高效产出多类高价值产品的策略。

本文中，研究者提出了一个“正交催化转化”方案，通过识别组分、精确设计特定反应路径，实现混合物中各类塑料的差异化转化。

设计以产品为导向的转化策略，必须充分考虑混合塑料的化学与物理性质。

在这一过程中，准确识别聚合物基体中的官能团是前提。核磁共振（NMR）技术能对目标核周围分子环境做出高灵敏度响应，是执行官能团识别的理想工具。

依托已有的官能团化学位移数据库，研究人员可无需标准样品即可实现高效结构判定（见图1a）。

尽管在¹H或¹³C谱图中存在大量信号重叠问题，阻碍了对复杂混合物中单一聚合物的谱峰指认，但通过二维相关谱技术（如¹H–¹³C FSLG-HETCOR）可实现对特定结构信号的解析（图1a）。

此外，固态NMR技术几乎不受分子量和物理态限制，是识别塑料混合物中官能团种类及其转化进程的有力手段。

基于官能团识别，研究者可据此设计不同类型塑料的转化路径（图1b）。

例如，含酯键的聚合物可通过溶解裂解、加氢裂解等方式发生降解；而聚烯烃类（PE、PP、PS、PVC）中是否存在芳香环、卤素等取代基，也可被区别并据此制定转化方案。

此外，塑料分子结构间的差异，虽然通常阻碍其混合回收，但反而可以通过官能团正交性设计差异化催化转化路径，为资源化利用提供新可能。

因此，针对同时含有酯类官能团、非官能化和功能化烷基链的混合塑料，可结合一系列低能耗的预处理过程，构建出产品导向型正交催化转化策略（图1c）。

基于不同塑料类型的反应性差异，研究者提出在特定条件下设计分离与催化流程，选择性地转化混合塑料中的某一类或一组成分，以生成特定（组）高价值产物——即产品导向的正交转化策略。

为验证该策略的可行性，研究者对等质量的 PS、PLA、PU、PC、PVC、PET、PE 和 PP 混合体系，设计了针对官能团识别、目标产物指向、转化路径选择与预处理过程集成的正交转化路径，最终获得了以下多种高价值化学品：烷烃类、二氯烷、苯甲酸、对苯二甲酸（TPA）、乳酸、双酚A（BPA）、碳酸亚乙酯、丙氨酸、芳香胺盐类.

这些产物通过多步转化实现，展示了该策略在复杂塑料混合物资源化利用中的广泛适用性和强大潜力。

图1 混合塑料回收的策略建议

图2 样本1中单个化学试剂的二维¹H–¹³C FSLG-HETCOR NMR光谱

图3 聚合物试剂混合物的正交变换（样本1）

图4 真实生活中塑料混合物（样本2）的正交变换

综上所述，本研究系统验证了正交催化转化策略在现实塑料废弃物管理中的可行性、有效性与稳健性。

通过识别混合塑料废物中的关键官能团，并将现有转化工艺有机整合至统一的反应框架中，该策略为应对复杂塑料流的资源化挑战提供了一种前景可期的解决方案。

这一策略具备良好的适应性与可拓展性，可与新兴方法结合，进一步提升效率与规模化潜力。

尽管在材料与能源消耗、碳排放、整体工艺效率与可持续性、以及工业化可行性方面仍需优化，但本研究作为概念验证，为现实塑料废弃物管理提供了一条技术上可行的新路径。

借助先进的表征工具、不断演进的塑料转化技术，并融合多个相关领域的专业知识——包括废物分析、收集与分选、生命周期评估、基础设施建设与政策制定等，该策略有望深入揭示塑料废弃物的“复杂性”与“资源价值”。

最终，该策略为实现更高效、更可持续的塑料资源利用奠定了基础，并有望在不久的将来推动现有资源利用体系的重大革新。

参考文献

Zhang, MQ., Zhou, Y., Cao, R. et al. In-line NMR guided orthogonal transformation of real-life plastics. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09088-7

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-09088-7