生物可降解塑料的大規(guī)模推廣應(yīng)用是解決塑料污染問題的關(guān)鍵突破口。作為一類兼具優(yōu)異生物降解性和生物相容性的聚酯材料，聚乙醇酸(polyglycolic acid, PGA)在包裝材料、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療器械、油氣開采等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。據(jù)測算，我國PGA市場需求未來將達(dá)到百萬噸級規(guī)模。然而，PGA的主流制備工藝面臨重大挑戰(zhàn)：其單體原料乙醇酸的傳統(tǒng)合成路線依賴高毒性前驅(qū)體(如氯乙酸或氫氰酸)，存在安全風(fēng)險(xiǎn)且難以規(guī)模化生產(chǎn)。同時(shí)，乙醇酸合成過程中的產(chǎn)物分解和高能耗問題進(jìn)一步推高了生產(chǎn)成本，使得乙醇酸合成成為制約PGA產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。截至2024年，我國乙醇酸年產(chǎn)能不足5萬噸，與百萬噸級市場需求存在巨大缺口，開發(fā)綠色、經(jīng)濟(jì)的合成路線迫在眉睫。
針對這一重大需求，中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所陳勇研究員團(tuán)隊(duì)發(fā)展了新的電合成策略，利用廢棄PET塑料作為起始原料，成功實(shí)現(xiàn)了乙醇酸的克級制備(Angew. Chem. Int. Ed.2023, 62, e202300094；Green Chem., 2023, 25, 5872；Adv. Energy Mater.2024, 14, 2304065;Angew. Chem. Int. Ed.2025, e202422183)。為推進(jìn)該技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，實(shí)現(xiàn)從廢棄塑料PET到可降解塑料PGA的全流程轉(zhuǎn)化，團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)分析了電催化重整PET制備PGA過程中的兩大核心難題：(I)乙二醇制備乙醇酸的時(shí)空產(chǎn)率低；(II)乙醇酸晶體的分離提純成本高。
圍繞這兩大關(guān)鍵技術(shù)問題，團(tuán)隊(duì)近期研制出強(qiáng)Lewis酸(CoCr2O4)負(fù)載的鈀催化劑，通過強(qiáng)Lewis酸促進(jìn)反應(yīng)體系中OH–的快速遷移，大幅提升乙二醇制備乙醇酸的時(shí)空產(chǎn)率；發(fā)展了新的蒸餾醇析工藝，不僅實(shí)現(xiàn)了高純度乙醇酸晶體的高效分離，同時(shí)完成了堿液/乙二醇循環(huán)利用和副產(chǎn)物回收。基于這些技術(shù)創(chuàng)新，團(tuán)隊(duì)自主設(shè)計(jì)500 W級電堆系統(tǒng)，成功完成20公斤級廢棄PET至PGA的全流程放大實(shí)驗(yàn)。經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析結(jié)果表明，基于電催化重整路線制備的PGA成本約為1240.12 美元/噸，已接近通用聚烯烴塑料的成本區(qū)間，為該技術(shù)產(chǎn)業(yè)化奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
該成果以Scale-up upcycling of waste polyethylene terephthalate plastics to biodegradable polyglycolic acid plastics為題目發(fā)表在Nature Communications期刊，論文的通訊作者為理化技術(shù)研究所陳勇研究員和石睿副研究員，共同第一作者為博士生王宇翔和劉福來副研究員。研究工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院-香港大學(xué)新材料聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室基金等資助項(xiàng)目的資助。
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