2025-09-11 11:30:37
出品：
作者：徐舒涛、周易达（中国科学院大连化学物理研究所）
监制：中国科普博览
联合国环境规划署于2023年公布的数据显示，全球每年产生的塑料废弃物约(yuē)4亿(yì)吨(dūn)，但(dàn)仅(jǐn)有(yǒu)不(bù)到(dào)10%得(de)到(dào)了(le)回(huí)收(shōu)利(lì)用(yòng)。预(yù)测(cè)表(biǎo)明(míng)，到(dào)2050年(nián)，全球(qiú)塑(sù)料(liào)产(chǎn)量可能将增长至11亿吨/年。塑料垃圾的不断累积正日益危及野生动物及其栖息环境，也对人类健康造成严重威胁。
沙滩上的塑料垃圾
（图片来源：wikipedia）
在这一背景下，通过催化过程将废塑料转化为高价值化学品和燃料，被视为一种具有潜力的应对策略。然而，由于实际生活中产生的废塑料组成复杂、结构多样，实现其高效回收面临巨大挑战。我们团队（中国科学院大连化学物理研究所徐舒涛研究员联合北京大学王蒙研究员、马丁教授团队）针对这一问题展开了深入研究，近期在真实废塑料混合物的分离与转化领域取得了重要进展。
混合塑料分离处理面临难题
混合塑料的回收比垃圾分类更难。面对PET瓶、塑料袋、泡沫饭盒等8种常见塑料混杂的情况，如何实现高效精准的分离成为关键难题。
要想解决这个问题，我们需要先来重新认识一下塑料。塑料不是一种单一材料，而是一个多样性极高的大家族，常用的商业化塑料主要包括聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）等不同种类。
八种常见塑料的分子结构
（图片来源：研究团队提供）
这些不同的塑料都具有独特的分子结构和物理化学性质，就像不同树种的木材，需要不同的处理方法。目前，针对混合塑料的分离与转化已经发展出多种技术路径：1.混合溶剂溶解法（分离PS）；2.光催化法（降解PS）；3.THF溶剂溶解法（去除PU、PC和PVC）；4.糖酵解法，将PC转化为单体衍生物，留下PU；5.选择性氨化，转化PLA为丙氨酸；6.皂化反应，解聚PET；7.加氢裂解，转化PE和PP为短链烃类。
因此，当各种塑料混合时，塑料回收就变得更加棘手了，必须要先把不同种类的塑料区分开来，才能进行回收处理。此前，这些塑料的分类往往都靠人工完成，这种方式不仅效率低下，而且准确率有限，难以满足大规模处理的需求。
我们想到了一种新思路：尝试用核磁共振对混合塑料进行分类识别
那么，有没有一种方法，可以高效进行塑料分类呢？我们团队长期使用核磁共振技术对沸石上的催化过程反应机理和沸石中的主-客体相互作用进行研究，积累了大量经验。于是，我们便设法使用核磁共振对混合塑料进行分类识别。
核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）是一种通过探测原子核在磁场中的量子行为来解析物质微观结构与动态过程的核心波谱技术。该技术可以实现从有机小分子的精确结构解析、蛋白质三维结构的测定，到材料性能优化、疾病的无创诊断（MRI），NMR在化学、生物学、医学、材料科学等领域均发挥着不可替代的(de)作(zuò)用(yòng)。其核心价值在于提供原子级别的“分子指纹”，揭示从静态结构到动态过程的全面信息。
于是，对于塑料分离的问题，我们团队提出了一个新的思路：用核磁共振技术！具体而言，我们选择了固体核磁共振方法，主要是基于以下几个原因：
1.适用于难溶样品：当塑料样品无法溶解，或溶解后结(jié)构(gòu)改(gǎi)变而无法进行液体核磁测试时，则采用固体核磁共振分析。
2.提供更丰富的结构信息：固体核磁可以反映液体核磁不能反映的信息，如化学位移各向异性相互作用（当我们旋转分子或改变外磁场方向时，同一个分子其原子核的共(gòng)振(zhèn)频(pín)率(lǜ)会(huì)发(fā)生(shēng)变(biàn)化(huà)。这(zhè)种(zhǒng)化(huà)学(xué)位(wèi)移(yí)依(yī)赖(lài)于(yú)空(kōng)间(jiān)方(fāng)向(xiàng)的(de)性(xìng)质(zhì)，就(jiù)称(chēng)为(wèi)化(huà)学(xué)位(wèi)移(yí)各(gè)向(xiàng)异(yì)性(xìng)。）晶(jīng)型(xíng)和(hé)固(gù)体(tǐ)状态下的分子运动等。
3.追踪液-固转变过程：固体核磁共振分析还有助于了解样品从液体到固体变化过程中(zhōng)的(de)结(jié)构(gòu)变(biàn)化(huà)。
通(tōng)过(guò)核(hé)磁(cí)共(gòng)振(zhèn)实(shí)现(xiàn)混(hùn)合(hé)塑(sù)料(liào)的(de)高(gāo)效(xiào)分(fēn)类(lèi)
（图(tú)片(piàn)来(lái)源(yuán)：研(yán)究(jiū)团(tuán)队(duì)提(tí)供(gōng)）
总(zǒng)的(de)来(lái)说(shuō)，基(jī)于(yú)混(hùn)合(hé)塑(sù)料样品很难选取某种溶剂进行完全溶解的特点，结合固体核磁共振的谱图可以对具体每种塑料的特征官能团（例如酰胺键、酯基和氯亚甲基等），就像是每种塑料的“化学身份证”，具有进行特异性识别的优势，因此我们最终选择了固体核磁共振技术作为研究手段。
用核磁共振精准识别混合塑料中的组分
我们通过固体核磁的交叉极化谱和FSLG-HETCOR谱图，对特征官能团进行识别，从而区分混合塑料的组分。
1.挑战一：成分复杂，难以辨别。
解决方案：我们首先建立塑料“分子身份证库”，就像建立了一个人脸识别系统，先让我们的仪器认识并记住这8种塑料的特征。具体来说，我们先使用8种塑料的标准品，测得它们的FSLG-HETCOR谱图，进而完成“身份库”的建立。
8种塑料标准品的FSLG-HETCOR谱图
（图片来源：参考文献[1]）
2.挑战二：如何使核磁共振谱图分辨率更高。
在固体核磁共振中，一个核心挑战就是同核间的强偶极耦合。想象一下，样品中相同的原子核会像小磁铁一样相互作用，其作用强烈依赖于原子核间连线与磁场的夹角。这种磁耦合会导致谱线严重增宽和重叠——如同声线相似的人同时说话，难以听清每个人的声音，极大降低了分辨率。
解决方案：同核去耦正是为了解决这个问题而“诞生”的技术，用于克服同种原(yuán)子(zi)核(hé)之间的耦合干扰，核心目标是在信号采集时抑制同核偶极耦合。简单来说，它通过一系列精妙设计的快速脉冲程序，像一位精准的“指挥家”一样，迫使所有原子核的“小磁铁”严格按照统一的节奏和步调“翻转”或“暂停”，当所有原子核都步调一致地行动时，它们之间混乱的磁干扰就神奇地相互抵消了，从而使谱线“噪点”更低、谱图更加清晰、提升分辨率。
因此，同核去耦大大提升了固体核磁共振谱图的分辨率和信息量，是解析固体材料精细结构的必备利器。
使用带有同核去耦的脉冲序列，提高了谱图F1维的分辨率。
左图为：没有同核去耦的谱图，右图：有同核去耦的谱图。
（图片来源：参考文献[1]）
应用效果显著，未来前景广阔
根据实验结果，通过全套的转化流程，可以从20g真实废塑料混合物中产生11.4g的高价值化学品，具体包括苯甲酸1.3g，邻苯二甲酸酯0.5g，丙氨酸0.7g，双酚A 2.1g，碳酸环酯0.4g，二氯烷烃0.2g，乳酸0.7g，对苯二甲酸2g和C3-C6的小分子3.5g。在整个过程中，核磁共振技术对塑料混合物的识别表现出了足够高的准确率和效率，能够为下一步分离和转化提供实验依据和数据支撑。
研究证明，我们所提出的策略在管理现实生活中的塑料废物方面的可行性、有效性和鲁棒性（指一个系统在面临内部结构或外部环境改变时，也能维(wéi)持(chí)其(qí)功(gōng)能(néng)稳(wěn)定(dìng)运(yùn)行(xíng)的(de)能(néng)力(lì)）。这(zhè)种(zhǒng)方(fāng)法(fǎ)为(wèi)应(yīng)对(duì)复(fù)杂(zá)塑(sù)料(liào)废(fèi)物(wù)流(liú)带(dài)来(lái)的(de)挑(tiāo)战(zhàn)提(tí)供(gōng)了(le)一(yī)种(zhǒng)有(yǒu)前(qián)景(jǐng)的(de)解(jiě)决(jué)方(fāng)案(àn)，且(qiě)具(jù)有(yǒu)内(nèi)在(zài)的(de)适(shì)应(yīng)性(xìng)，允(yǔn)许(xǔ)与(yǔ)新(xīn)兴(xìng)方(fāng)法(fǎ)集成(chéng)，以(yǐ)提(tí)高(gāo)效(xiào)率(lǜ)和(hé)可(kě)扩(kuò)展(zhǎn)性(xìng)。
尽(jǐn)管(guǎn)需(xū)要(yào)进(jìn)一(yī)步(bù)优(yōu)化(huà)，特(tè)别(bié)是(shì)在(zài)材(cái)料(liào)和(hé)能(néng)源(yuán)消(xiāo)耗(hào)、二(èr)氧(yǎng)化(huà)碳(tàn)排(pái)放(fàng)、整(zhěng)体(tǐ)工(gōng)艺(yì)效(xiào)率(lǜ)和(hé)可(kě)持(chí)续(xù)性(xìng)以(yǐ)及(jí)工(gōng)业(yè)实(shí)施(shī)可(kě)能(néng)性(xìng)等(děng)领(lǐng)域，但(dàn)这(zhè)项(xiàng)概(gài)念(niàn)验(yàn)证(zhèng)研(yán)究(jiū)为(wèi)现(xiàn)实(shí)世(shì)界(jiè)的(de)塑(sù)料(liào)废(fèi)物(wù)管(guǎn)理(lǐ)建(jiàn)立(lì)了(le)一(yī)条(tiáo)技(jì)术(shù)上(shàng)可(kě)行(xíng)的(de)途(tú)径。
通(tōng)过(guò)利用最先进的表征工具、不断进步的塑料转化技术，以及整合不同领域的专业知识，包括废物分析、收集、分类、生命周期评估、基础设施开发和政策改革，该方法可以揭示塑料废物的复杂而有价值的性质。最终，这一战略可为更有效和可持续的塑料资源利用铺平道路，有望在不久的将来对当前的资源利用实践进行显著革新！
参考文献：
[1]Zhang, Mei-Qi, et al. “In-line NMR guided orthogonal transformation of real-life plastics.” Nature (2025): 1-9.
[2]Van Rossum, B-J., et al. “A method for measuring heteronuclear (1H− 13C) distances in high speed MAS NMR.” Journal of the American Chemical Society 122.14 (2000): 3465-3472.
J. Magn. Res. 2001,148, 449-454
[3]Lesage, Anne, and Lyndon Emsley. “Through-bond heteronuclear single-quantum correlation spectroscopy in solid-state NMR, and comparison to other through-bond and through-space experiments.” Journal of Magnetic Resonance 148.2 (2001): 449-454.
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