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將二氧化碳轉(zhuǎn)化為塑料？科學(xué)家從源頭探索高分子材料的綠色化

城南二哥2024-08-13 10:16:29牛津布資訊96來源：牛津布_防水牛津布_牛津布面料網(wǎng)

高分子材料是指單體通過加聚反應(yīng)或縮聚反應(yīng)得到的聚合物而形成的材料，如各種塑料、橡膠等，它也是制造紡織合成纖維的原料。隨著高科技的迅猛發(fā)展，高分子材料在各行各業(yè)的應(yīng)用日趨增多，而高分子材料的不可降解性和低回收利用率對(duì)環(huán)境造成的危害已不可低估，現(xiàn)已成為固體廢棄物處理中的一個(gè)世界性棘手難題。

綠色高分子材料是一種對(duì)環(huán)境友好的高分子材料。“綠色”是指從高分子材料合成的源頭——單體著手，選擇對(duì)環(huán)境友好的單體材料及合成工藝，并且考慮合成的高分子材料對(duì)環(huán)境的相容性（即在較短的時(shí)間內(nèi)自然降解或解聚）及產(chǎn)品的生命周期性（產(chǎn)品使用后的回收利用）。

雖然當(dāng)前高分子材料的綠色化還主要表現(xiàn)在可降解性研究，但尋找更加綠色環(huán)保、可持續(xù)的合成原料一直是科學(xué)家們追求的目標(biāo)。尤其是利用“溫室氣體”CO₂合成高分子材料的研究，近年來頻頻出現(xiàn)在世界頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊上。

近日，加拿大多倫多大學(xué)Ted Sargent團(tuán)隊(duì)發(fā)布了一項(xiàng)研究成果，稱其已經(jīng)找到了有效地將CO₂轉(zhuǎn)化為乙烯（ethylene）的條件。而乙烯便能再被用來制造聚乙烯（polyethylene），也就是全球年產(chǎn)量約8000萬t、現(xiàn)今普遍使用的塑料。

據(jù)了解，這項(xiàng)研究的核心工作是CO₂還原反應(yīng)的過程，在催化劑的輔助下，通過電流和化學(xué)反應(yīng)將CO₂轉(zhuǎn)化為其他化學(xué)物質(zhì)。在這種反應(yīng)中，許多金屬都可以做為催化劑，如金、銀和鋅能夠催化生成CO，而錫和鈀可以催化生成甲酸，銅則能催化產(chǎn)生乙烯。運(yùn)用Canadian Light Source高級(jí)科學(xué)家Tom Regier開發(fā)的獨(dú)特設(shè)備，研究人員能夠?qū)崟r(shí)研究整個(gè)二氧化碳還原反應(yīng)過程中銅催化劑的型態(tài)、形狀以及化學(xué)環(huán)境。進(jìn)而確認(rèn)乙烯生產(chǎn)大化的精確條件，并通過調(diào)整催化劑來達(dá)成大程度地提高乙烯生產(chǎn)量、同時(shí)將甲烷產(chǎn)量降至低目的。這項(xiàng)研究已經(jīng)公布在《自然》系列旗下新冠名期刊《自然-催化》（Nature Catalysis）中。

將CO₂轉(zhuǎn)化為乙烯的納米結(jié)構(gòu)銅催化劑表面

在此之前，美國斯坦福大學(xué)的一個(gè)研究小組也在《自然》雜志登載的一篇論文中，提出了一種可以把二氧化碳以及農(nóng)作物殘留物等植物材料轉(zhuǎn)化為塑料的研究成果。研究人員混合碳酸鹽、CO₂和由糠醛衍生獲得的糠酸，將它們加熱至200℃，呈現(xiàn)熔鹽狀態(tài)，持續(xù)５h后，熔鹽混合物總量的89％會(huì)轉(zhuǎn)化為２，５－呋喃二甲酸，進(jìn)而生產(chǎn)可在一定程度上替代聚對(duì)苯二甲酸乙二酯的聚呋喃二甲酸乙二酯（PEF）。而２，５－呋喃二甲酸與對(duì)苯二甲酸不同，可以是生物材料的衍生物。

除此之外，以淀粉等天然物質(zhì)為基礎(chǔ)在微生物作用下生成的生物塑料，具有可再生性，因此十分環(huán)保。明治大學(xué)通過改變藍(lán)藻的氫合成酶，成功增產(chǎn)了生物塑料的原料——琥珀酸和乳酸，有望為解決未來的環(huán)境、能源問題作出貢獻(xiàn)。研究成果刊登在《Algal Research》雜志上。