牛志强团队在废旧塑料催化循环领域取得重要进展

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近日，化工系牛志强课题组在废弃塑料催化循环领域取得重要进展。废旧塑料的催化循环可以有效减少其环境危害，降低塑料全生命周期的碳排放，提高碳资源综合利用率。清华大学化工系牛志强课题组基于仿生催化的策略发现了一类双核锌催化剂，借助“双金属位点”活性中心，将分子间亲核反应转变为分子内亲核反应，不仅促进聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）塑料在环境条件下的解聚，而且在温和条件下也可实现PET的高效化学循环。该工作为解决全球塑料污染问题提供了新思路和新方法。

图1.双核催化剂设计概念

        塑料的大量使用造成了严峻的环境和能源问题，特别是年产量巨大的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET），占全球固废总量的近12%。目前，PET的化学循环需要在高温、高压或高浓度酸碱等苛刻条件下进行，开发节能环保的PET降解途径充满挑战。PET水解酶可在温和条件下实现PET的解聚，这主要得益于酶催化的邻近定位效应：活性中心同时与PET以及亲核试剂结合，让二者彼此靠近并采取正确的空间取向，极大提高了底物的局部有效浓度。这一反应机制在金属水解酶上也得到充分体现。比如来自放射杆菌的有机磷降解酶（OpdA），其活性中心由两种金属离子（如di-Zn、di-Co等）组成。它采用相同的邻近定位效应加速有机磷水解（图1a）。截至目前，没有记录表明OpdA或其他双核金属水解酶具有降解PET的活性，这可能是因为聚合物分子无法接触OpdA的活性中心。牛志强课题组猜想，若将OpdA的非催化蛋白骨架去除，将双核位点充分暴露后，可能会催化PET降解。
        基于上述猜想，牛志强课题组发现了一种双核锌催化剂能在温和条件甚至环境条件下有效实现PET的解聚。与PET水解酶相比，该催化剂具有稳定性好、成本低、塑料适用范围广的优点，打破了PET水解酶对高结晶度PET活性低的局限性。该催化剂可在真实海水环境中（pH7.9）实现PET的持续解聚，为环境修复提供了可能。
        该双核催化剂的结构稳定性使其可在较广的操作温度（30−340oC）和pH（8−14）范围内进行使用。在相对温和的条件下（pH13和90oC），可达到577 gPETh-1gcat-1的比活性、70 gTPAL-1h-1的对苯二甲酸单体的时空收率，以及不低于25000的TON（图3a,b）。与传统PET碱性水解技术相比，在碱浓度降低10倍的基础上，催化剂的比活性提高了一个数量级。此外，该催化剂对废弃塑料中各种添加剂和色素具有良好的耐受性，并对不同种类的聚酯塑料表现出普适性（图3c）。
相关成果以“双核催化剂用于聚酯塑料循环”（Depolymerization of polyesters by a binuclear catalyst for plastic recycling）为题发表在国际学术期刊《自然·可持续发展》（Nature Sustainability）上。
         论文第一作者为清华大学化工系博士后张胜波、2021级博士生胡琪琨和博士后张玉箫。通讯作者为清华大学化工系牛志强副教授。DFT计算工作由美国布鲁克海文国家实验室刘萍教授指导完成。回收单体二次聚合以及聚合物熔体性质表征由中石化仪征化纤朱兴松高级工程师完成。研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、清华大学自主科研计划前沿交叉专项和中国博士后科学基金的支持。
        论文链接：https://www.nature.com/articles/s41893-023-01118-4
        文章来源：
         牛志强，从事纳米催化材料的结构调控和构效关系研究。以催化剂精细结构调控为基础，结合原位动态表征技术与理论计算，解析载能小分子催化转化中的作用机制，面向清洁能源应用需求，开发高效、长寿命催化体系。学术成果发表在Nature Materials, Nature Communications, Journal of the American Chemical Society, Angewandte Chemie International Edition, Chemical Reviews, Nano Letters, ACS Nano等期刊，受邀撰写相关研究领域综述4篇，申请PCT专利2件。