第一作者：刘晨阳秦纪波

通讯作者：豆义波

通讯单位：北京化工大学衢州资源化工创新研究院清华大学

论文DOI：10.1002/smll.202508065

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废弃塑料因化学性质稳定、自然环境中难以降解，已成为全球环境污染的重要来源之一。与此同时，通过化学转化实现其回收并升级为高价值原料，不仅可有效缓解环境负荷，更具备显著的经济效益与社会价值。针对这一技术挑战，北京化工大学豆义波团队设计并制备了一种包覆型SiC@NiFe催化剂，通过溶胶-凝胶结合热还原法，将具有催化活性的镍铁合金包覆于微波吸收剂SiC表面。该独特包覆结构可实现从SiC至NiFe的定向热传递，显著降低无序传热造成的能量损耗；同时能有效避免塑料与无催化活性的SiC直接接触，实现反应物的定向传递，进而同步提升能量利用效率并抑制副反应发生，最终达成废弃塑料的节能高效增值回收。在低密度聚乙烯（LDPE）升级回收实验中，SiC@NiFe催化剂表现出优异性能，氢气产率与选择性分别达到67 mmol g_plastic⁻¹和96 vol.%。该研究为塑料废弃物的价值化转化提供了一种高效节能的可行策略，其设计思路为循环经济框架下白色污染治理提供了新的研究视角。

背景介绍

聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）为代表的塑料已经成为现代社会不可或缺的材料。然而，其持续增长的产量与不当处置方式，不仅对大气、陆地及水生生态系统造成严重污染，更加剧了不可再生资源的消耗危机。尽管目前已开发多种化学回收技术用于处理这类高稳定性塑料，但现有回收体系仍以催化热解、加氢裂化等能源密集型工艺为主，普遍面临高能耗、低选择性及高成本等瓶颈。相比之下，高效节能的微波辅助催化优势得以体现，该方法可以更有效、迅速地吸收微波并将其转化为用于升级循环塑料的热能。尽管如此，微波辅助催化体系目前仍处于研究初期，现有催化体系中，微波吸收剂/催化剂与塑料间的传热及接触过程具有随机性，制约催化效能。为此，作者通过结构化设计制备了包覆型SiC@NiFe催化剂，旨在实现塑料废弃物向氢气（H₂）及碳纳米管（CNTs）的选择性转化。该催化剂以多孔SiC泡沫为骨架，其表面包覆NiFe合金作为催化活性位点（SiC@NiFe）：一方面可有效规避无序传热导致的能量损耗，提升能量利用效率；另一方面能避免塑料与SiC直接接触，抑制非催化热解副反应的发生。同时，Ni-Fe活性位点间的协同作用可降低聚合物断链的活化能垒。综上，SiC@NiFe催化剂在塑料增值回收过程中展现出优异的催化性能。

本文亮点

1）热量定向传递：NiFe包覆SiC的结构实现了热量由SiC定向传递到NiFe再传递到塑料，避免了无序性传热造成的热量消耗，提高了能量利用效率，降低了反应温度和功率；

2）物质定向传递：NiFe包覆SiC的结构有效的避免了无催化作用的SiC与塑料接触，抑制了副反应进行，提高了产物的选择性。同时塑料迅速分解产生的大量气体，造成的压差驱动塑料气体通过碳化硅的孔道流出，使塑料与催化剂接触更充分有效提升了催化性能；

3）结构稳定性与普适性：催化性能评价表明SiC@NiFe对多种塑料（HDPE、LDPE、PP、PS等）及生活中的塑料均具有有效的升级回收能力，H₂选择性可达90 vol.%。同时由于SiC@NiFe的包覆结构，降低了固体产物CNTs与催化剂的分离的难度和成本，避免了CNTs包裹催化剂造成的失活，使SiC@NiFe在30次循环后仍保持催化活性，具有较高的结构稳定性和寿命。

图文解析

方案1展示传统的微波辅助催化反应中吸收剂、催化剂和塑料热量和物质传递的无序性和本工作的催化剂热量和物质定向传递的示意图，体现本工作催化剂的优势。

方案1. a）传统催化体系和 b）作者设计的催化体系用于废弃塑料化学回收对比示意图。

作者采用溶胶凝胶-热还原法合成了包覆型SiC@NiFe催化剂，图1系统展示了该催化剂的合成工艺流程及结构表征结果。首先，作者通过调控前驱体中Ni-Fe元素比例对催化剂性能进行优化，最终确定SiC@Ni₁Fe₂为最佳性能催化剂，并对其进行了系统表征。结构分析表明，该催化剂呈现包覆结构：具有多孔结构的SiC作为骨架，其表面均匀包覆一层NiFe合金，构成了包覆型SiC@NiFe催化剂。

图1 催化剂的合成方法和表征

接着，作者通过升温测试和产物分析对催化性能进行了评价（图2）。首先SiC@NiFe与常规混合的粉末SiC-NiFe对比，由于SiC@NiFe多孔结构，微波在催化剂内部多次反射吸收转化率更高，升温更迅速。产物分布对比分析进一步证实了其性能优势：SiC@NiFe催化塑料转化的产物主要为气体与固体炭渣，几乎无蜡相产物生成，证实该催化剂可有效抑制副反应发生，显著窄化产物分布。对气体组分与固体产物的进一步表征显示，SiC@NiFe不仅展现出更优异的催化活性，其固体产物更可定向转化为高价值碳纳米管（CNTs）。上述对比实验结果证明，SiC@NiFe催化剂具备高效的塑料增值回收催化性能。

图2 催化性能评价

为全面评估其实际应用潜力，作者通过系统实验验证了SiC@NiFe在微波辅助催化废旧塑料升级回收中的普适性与高稳定性，并与已报道催化剂开展性能对标研究（图3）。通过多种塑料（HDPE、LDPE、PP、PS和生活中的塑料）的转化实验证明，SiC@NiFe具有良好的普适性，对多种塑料均可有效转化；同时30次循环稳定性测试发现催化剂的活性与产物选择性未出现明显衰减，表明了其具有的高稳定性和长寿命。最终，与已有报道催化进行功率和H₂选择性对比，突出了SiC@NiFe的高效高催化活性和低能耗的优势。

图3 生活中的塑料化学回收性能与经济性评价

为阐明SiC@NiFe催化剂高效转化塑料的内在机制，作者通过理论计算开展了系统性研究（图4）。能带结构对比分析表明NiFe合金相较单金属Fe，d带中心发生了远离费米能级的趋势，这有利于氢原子解离和脱氢反应的进行。差分电荷密度分析进一步揭示，Ni与Fe活性位点间存在显著电子转移效应，该电子相互作用可有效调控活性中心的电子结构，进而增强催化活性。反应路径计算从动力学角度验证了催化剂的优势：在关键中间体C₂H₄的吸附过程中，NiFe活性位点的吸附能垒低至-0.82 eV，显著低于单金属Ni（0.38 eV）和Fe（0.11 eV）的吸附能垒，大幅降低了塑料裂解中间体与催化剂表面的吸附能垒，强化了二者间的相互作用；而在反应决速步（C₂键裂解步骤）中，NiFe的能垒仅为0.95 eV，远优于单金属Ni（1.97 eV）和Fe（1.55 eV）。综上，Ni-Fe双金属活性位点的协同作用通过调控电子结构优化氢解离动力学，同时降低中间体吸附与C-C键裂解能垒，共同实现了高效催化性能。

图4 催化反应过程的理论计算

总结与展望

该项工作设计了一种节能的SiC@NiFe催化剂，用于塑料废物的微波辅助催化升级循环，在450℃下实现了67 mmol g_plastic⁻¹的H₂产率和96 vol.%的选择性。独特的结构有助于从微孔SiC到NiFe层的定向热传递，有效减少无序散热造成的能量损失，避免塑料与SiC直接接触，这种双重功能设计提高了能量利用效率，抑制了非催化热解副反应。同时。NiFe催化位点存在协同作用，显著降低了塑料链断裂和增强了催化剂对中间体的吸附，有效提升了塑料转化为CNTs和H₂的性能。本工作建立了一种用于塑料废弃物选择性增值回收的节能催化体系，为在环经济背景下解决塑料废弃物的问题提供了新的见解。