第一作者：Chunlin Luo

通讯作者：Yuxin Wang

通讯单位：美国西弗吉尼亚大学 化学与生物医学工程系

论文DOI：10.1016/j.apcatb.2025.125834

在全球塑料废弃物持续增加和碳中和目标日益迫切的背景下，聚丙烯（PP）废塑料如何实现高效循环利用成为学界与产业界关注的焦点。本研究由西弗吉尼亚大学Yuxin Wang教授团队完成，创新性地提出了一种直接微波催化升级（Direct Microwave Catalytic Upcycling, DMCU）方法，利用微波响应型催化剂Ru/α-Fe2O3，在仅微波加热400℃下实现了57.2 wt.% 的丙烯产率。该成果为实现聚丙烯废弃物的闭环循环与绿色再利用提供了重要新路径。

聚丙烯（PP）是全球产量和消费量最大的热塑性塑料之一，广泛应用于食品包装、一次性餐具、医疗耗材、家居用品和汽车零部件。2022年全球PP需求量约为7900万吨，预计到2030年将增至1. 05亿吨。然而，聚丙烯废弃物的回收率极低，以一次性饮料杯为例，每年产量超过5000亿个，但回收比例不足1%，绝大多数被填埋或焚烧，造成严重的环境污染和资源浪费。

传统的机械回收方式存在塑料降解、性能下降等问题，难以获得高附加值产品；而化学回收如热裂解、溶剂解聚、氢解、加氢裂解等工艺往往需要高能耗和高压氢气环境，产物以低价值的混合烃类为主，丙烯收率通常低于25%。即使是近年新发展的快速脉冲焦耳加热（RPH）和时空加热（STH），丙烯收率也仅为35%-36%，难以满足工业化与碳中和的需求。因此，探索一种能效更高、选择性更强的新技术路径迫在眉睫。

（1）提出直接微波催化升级（DMCU）策略，利用微波对微波响应性催化剂的快速选择性加热特性，直接驱动废PP向丙烯高效转化。在微波加热400℃下，实现了57.2 wt.% 的丙烯产率。

（2）不仅在实验室用纯化学PP验证成功，而且直接以真实的快餐饮料杯废料（麦当劳、Taco Bell、Wendy）为原料，也保持了接近100%转化率和接近60%的丙烯选择性，显示出对复杂废弃物的适应能力。

（3）结合实验与DFT计算，揭示了Fe-O与Ru-O活性位点在C-H与C-C键活化中的互补作用，明确了Ru的引入如何显著降低C-C键断裂能垒、提升丙烯生成效率。

（1）实验装置与反应流程

研究团队构建了一套单模腔微波反应系统，由2.45 GHz 固态微波源提供能量，最高功率1 kW。该微波反应系统能够通过自动控制微波加热过程中的输出功率精准地控制微波在加热过程中的升温速率，从而实现可控的微波催化反应，这是目前绝大多数微波反应器很难做到的。PP废塑料与微波响应催化剂Ru/α-Fe2O3以1:1比例混合，在氮气气氛下通入微波能量加热。红外热像仪与红外测温传感器用于监控反应床温度分布，确保能量集中作用于催化剂，避免无效加热。该系统可实现快速升温、精准控温和能量集中输入，显著提高了反应效率。

图1 （a）直接微波催化升级回收废塑料装置；（b）微波加热可控升温及反应温度过程。

（2）直接微波催化 vs 常规加热

在性能对比方面，研究结果清楚地显示了微波催化（DMCU）相较于传统热加热（TH）的显著优势。采用传统热加热方式，即使在高达700℃的条件下，反应产物中仍然存在较多的液体和固体残余，且丙烯的产率始终不超过37.3 wt.%，这表明常规方式不仅能耗较高，而且选择性较差。相比之下，微波催化仅需在400℃的温度下就能实现几乎完全转化，气体产物占比高达96 wt.%，其中丙烯选择性接近60%，产率达到57.2 wt.%，远超现有报道水平。同时，该体系有效抑制了甲烷、乙烷和丙烷等低价值副产物的生成，显著提高了丙烯的回收效率。值得注意的是，即使直接使用来自麦当劳、Taco Bell 和 Wendy等快餐品牌的一次性聚丙烯饮料杯作为原料，在未经任何预处理的情况下也能保持与纯化学PP粉末几乎相同的丙烯选择性（57%-59%），充分说明该技术不仅在实验室条件下表现优异，而且对复杂真实废塑料具有极强的适用性。

图2 常规加热500℃、600℃、700℃ 和微波加热400℃时，(b)固液气产物百分比和(c)气体产物成分选择性的比较。

（3）稳定性与循环性能

在稳定性方面，研究团队开展了连续六轮循环实验，以检验体系在多次使用后的表现。前五轮反应中，混合的真实PP cups转化率始终接近100%，丙烯选择性稳定在50%-53%，说明催化剂在多轮运行中保持了高效与可重复性。然而到第六轮时，丙烯选择性下降至39%，乙烯和甲烷比例显著增加。进一步表征发现，这主要归因于催化剂表面碳沉积的累积，增强了微波吸收并引发局部过热，从而促进了深度裂解反应。尽管存在这一现象，整体体系仍表现出优异的稳定性和较强的耐久性。

图3 (a)各大快餐品牌废旧PP杯的真实图片；（b-c）在Ru (4 wt.%)/α-Fe2O3催化剂上，DMCU对实际消费后PP杯的升级回收性能;（d-e） DMCU系统的稳定性能; (f)采用DMCU系统的C3H6单体产率与采用不同工艺的文献的比较。

（4）机理分析与DFT计算

在机理层面，微波作用在催化剂表面产生局部高温区，能够有效驱动自由基与碳正离子两种机理并行。自由基途径主要通过β-裂解反应生成丙烯和乙烯，而碳正离子途径则由α-Fe2O3表面的酸位点诱导，促进长链烃分子的定向裂解，从而实现对轻烯烃产物的选择性控制。与传统加热方式不同，微波不仅提供选择性加热，还能使热通量与产物扩散方向保持一致，避免了常规加热中传热与传质相互制约的问题。这种优势加快了产物的脱附过程，提高了反应动力学和传质效率，从而进一步提升了整体转化效率。

进一步的DFT计算揭示了Ru与Fe在催化过程中的协同效应。Fe-O活性位点具有较低的C-H键断裂能垒（0.81 eV），因而更擅长驱动脱氢过程，促进自由基的形成；而Ru-O活性位点则显著降低了C-C键的断裂能垒（0.99 eV，相比Fe-O的1.97 eV），使长链烃更易被选择性裂解为丙烯。计算结果同时表明，Ru-O与O 2p轨道之间具有强耦合，这赋予其对长链烃分子C-C键更强的吸附和活化能力，进一步提升了反应的选择性。

综上所述，在微波场的作用下，Ru/Fe双活性中心通过电子效应与几何效应的协同，既加速了C-C键的选择性断裂，又有效抑制了副反应。同时，微波对能量与传质的优化作用也使反应过程更高效、更可控，从而实现了丙烯的高选择性生成。这一机制完整解释了DMCU体系在实验中表现出的优异性能。

本研究提出的微波直接催化上循环技术（DMCU）在400℃即可实现57.2 wt.%的最高丙烯产率，同时显著减少低价值副产物，展示了塑料高效回收的新路径。该方法既能降低填埋和焚烧带来的环境压力，又可将丙烯直接回流至聚丙烯生产链，推动“废塑料-丙烯-聚丙烯”闭环循环。微波加热具有能耗低、选择性高和过程可控等优势，适合未来连续流与工业化放大。后续研究将聚焦催化剂再生、工艺优化和与可再生能源结合，以推动真正的低碳循环经济。

致谢：特别感谢Shuai Liu副教授和Tao Wu教授在DFT理论计算方面给予的大力支持。

Dr. Yuxin Wang课题组近年在微波催化升级回收废弃塑料方向的成果如下：

（1）Yuxin Wang, Tara Biddle Changle Jiang, Thang Luong, Roujia Chen, Sean Brown, Xiangyu Jie, Jianli Hu. Microwave-driven upcycling of single-use plastics using zeolite catalyst. Chemical Engineering Journal 465 (2023): 142918. 

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.142918

（2）Parmar, Kaushal R., Vishal Tuli, Ashley Caiola, Jianli Hu, and Yuxin Wang*. Sustainable production of hydrogen and carbon nanotubes/nanofibers from plastic waste through microwave degradation International Journal of Hydrogen Energy 51 (2024): 488-498. 

https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.08.224

（3）Tuli, Vishal, Chunlin Luo, Brandon Robinson, Jianli Hu, and Yuxin Wang*. "Microwave-assisted catalytic technology for sustainable production of valuable chemicals from plastic waste with enhanced catalyst reusability." Chemical Engineering Journal 489 (2024): 151551. 

https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.151551

（4）Thang Luong, Chunlin Luo, Brandon Robinson, Jianli Hu, Yuxin Wang*. "Microwave Catalytic Co-upcycling of Polyethylene and Polystyrene", ACS Sustainable Resource Management, 2024, 

https://doi.org/10.1021/acssusresmgt.4c00110

（5）Luo, Chunlin, Shuai Liu, Tao Wu, Jianli Hu, and Yuxin Wang*. "Electrothermal Upcycling of Plastic Waste." Green Chemistry (2025). 

 https://doi.org/10.1039/D5GC01305D