PET瓶转变为“吃”CO₂的材料，废塑料化学回收和高值化再利用最新成果丨Science Advances

PET是目前世界上最常见的塑料之一，年产量已达7000万吨，占全球塑料总产量的18%。然而，其中约85-90%的PET最终进入焚烧或填埋处理环节，仅有10-15%被真正回收，而这些回收方式多为机械回收或化学裂解，其成本高、效率低、市场需求弱。

另一方面，为应对气候变化，全球亟需大规模部署碳捕集与封存技术（CCS）。预计到2050年，全球每年需清除15~26亿吨CO₂才能实现净零排放目标。该背景下，开发新型、廉价、可持续的固体CO₂吸附材料显得尤为紧迫。

本研究的创新点在于将废PET直接化学转化为可重复使用的CO₂吸附材料，打通塑料回收与碳捕集两大环保痛点，体现了“资源闭环”与“负排放”理念的完美结合。

图1.  重新利用PET塑料废物来捕获二氧化碳。（A）PET生命周期和项目动机。（B）将PET升级循环为可扩展的碳捕获材料的替代废物缓解[X=N(H)或O]

2.1.  材料合成：低成本氨解反应

研究团队选择了1,2-乙二胺（EN）作为氨解剂，将未经处理的PET饮料瓶剪碎清洗后直接反应。实验优化条件如下：

• 温度：60°C 或室温（2周）

• 反应时间：24小时

• 副产物：乙二醇（可蒸馏回收）

• 产物：主产物BAETA（最高得率60%）、副产物OLs（<40%）

反应具有原子经济性，可通过简单的热甲醇过滤分离BAETA和OLs。

2.2.  可扩展性验证

研究进一步测试了不同类型的PET废料，包括食品包装、玩具填充物、纺织品等。并进行了1公斤级别的大规模反应，产出800克BAETA与OLs混合物，验证了工艺的可扩展性。

此外，在混合家庭垃圾中（包含食品残渣、纸张、塑料薄膜、橡胶手套等）依然能选择性分解PET并得到38%的BAETA产率，显示了该工艺在复杂废物流中的鲁棒性。

图2. PET废物通过氨解升级循环为固体CO2吸附剂。（A）文献中的PET氨解。TBD，1,5,7-三氮杂双环[4.4.0]癸-5-烯。（B）在优化条件下使用EN进行PET氨解的反应方案。（C）氨解反应中使用的PET来源，包括饮料瓶、食品包装、玩具填充材料和纺织品，沿着得到的BAETA + OL的产率。（D）在室温下，使用2摩尔当量的EN，将PET氨解反应按比例放大到1 kg PET底物。（E）通过将PET与普通家庭废物混合进行的选择性PET氨解反应。

3.1.  热稳定性与结构优势

热重分析（TGA）显示，BAETA在空气中能稳定至220°C，在250°C开始分解；OLs则稳定至300°C。这一热稳定性远超传统液态胺（如MEA），后者在100°C左右即开始分解。NMR与电子衍射研究表明，CO₂与BAETA形成稳定的氨基甲酸盐结构，且由于其非对称结构和丰富的氢键，赋予其卓越的热稳定性和反复使用能力。

3.2.  CO₂捕集性能与再生性

• 在100% CO₂流中，BAETA在150°C时吸附能力达15 wt%（3.4 mol/kg）

• 可在120–150°C条件下连续工作

• 多达40次捕集-释放循环后无性能衰退，拓展到150次循环亦表现稳定

• 与商业固体吸附剂Lewatit相比，BAETA在氧化环境中依旧能保持14 wt%的捕集率，而Lewatit降至1.7 wt%

此外，BAETA可压片处理，无需额外粘结剂，利于工业化应用。

3.3.  湿度影响与直接空气捕集（DAC）能力

在相对湿度（RH）0–100%的环境下，BAETA表现出湿度越高吸附能力越强：

• RH < 50%：CO₂捕集率为4–6 wt%

• RH > 75%：捕集率达12 wt%

在75% RH下持续运行13天，可捕集0.063 g CO₂，效率达88%，展现出出色的空气捕集能力。

3.4.  解吸与热力学特性

• BAETA 的吸附焓为 −37.2 kJ/mol，与MEA（−37.4）相当

• 可用水蒸气在20分钟内解吸99%以上CO₂

• 固体状态下完全解吸需加热至130–140°C或在真空下进行

图3. BAETA和OL的稳定性和CO2捕获性能。（A）在90 ml/min的100%N2流速下，加热速率：1 ℃/min，BAETA-CO2-CO2加合物与二胺-CO2-加合物的热稳定性比较。（B）BAETA在各种温度下的CO2吸收曲线; 90 ml/min，100% CO2流量。（C）在模拟烟道气条件下150°C下的CO2吸收（15% CO2 +压缩空气：78%氮气，21%氧气，~1%氩气，（D）BAETA的氧化稳定性及其在100 ℃下反复暴露于空气后的CO2捕获性能;在150°C、90 ml/min、100%CO2流用于吸附和100%N2用于解吸下进行CO2捕获。（E）在150°C、90 ml/min、15%CO2 + 85%N2流用于吸附和100%N2用于解吸下的再循环性曲线。（F）使用粒状BAETA的CO2吸收（在150 ℃，90 ml/min，15%CO2 + 85%N2流用于吸附和100%N2用于解吸）。（G）在室温下在1 atm CO2下在不同RH水平下的CO2吸收。（H）在75%RH和室温下的DAC性能。蓝色：捕获柱前空气中的CO2浓度;紫色：BAETA过滤器后处理空气的CO2浓度。

图4.  BAETA在CO2吸收过程中的结构变化。（A）BAETA在CO2捕获条件下的氨基甲酸酯形成反应。（B）BAETA的FTIR光谱：DAC后（勃艮第），在150°C下热CO2捕获后（紫色），和贫BAETA（蓝色）。（C）固态15 N和13 C（仅羰基区域）使用1H 15 N CP（左）、1H 13 C CP（中）和具有13 C标记的CO2的1H 13 C CP（右）的BAETA（蓝色）和BAETA-CO2（品红色）的CP/MAS NMR谱;补充材料第4.3节中的全光谱。（D）通过ED获得的BAETA-CO2的结构。氮原子和氧原子之间的绿色线表示氢键（N-H···O）的距离，测量值在2.7和2.9Å之间。

本研究的最大创新在于提出了一种将消费级PET废料直接“化学升值”为高性能CO₂吸附材料的可行路径，具有以下关键突破：

1. 双重环境问题一体化解决方案：将塑料污染与碳排放这两大难题通过一体化技术协同应对，极具战略价值。

2. 材料性能优异：BAETA展现出极高的热稳定性、耐氧化性和反复使用能力，显著优于传统液体胺和部分商业固体吸附剂。

3. 工艺简便且具可扩展性：从饮料瓶等常见PET垃圾中提取得率可观，反应条件温和，适合工业化放大。

4. 结构明确机制清晰：通过固态NMR和电子衍射等手段，首次揭示了其非对称氨基甲酸盐结构形成的分子机制，提供了设计新型吸附材料的理论依据。

总的来看，这项研究不仅在实验科学上极具突破性，也为“碳中和”与“循环经济”提供了可操作的技术路径，具备重要的社会价值和产业化前景。