国家能源集团科研总院提出电子塑料高值循环新框架

近日，国家能源集团在新能源固体废弃物循环利用领域取得重要研究进展。7月13日，国家能源集团科研总院（低碳院）先进材料研究中心科研人员在国际期刊《Nature Reviews Chemistry》发表题为“Unlocking the potential of plastic in e-waste”的研究成果，国家能源集团科研总院（低碳院）为第一完成单位。

该研究聚焦新能源产业快速发展过程中产生的退役风机叶片、废旧光伏组件、储能电池以及电子电器产品中的塑料资源化问题，提出应当突破传统废弃物管理思维，将电子塑料重新定义为具有丰富化学组成的重要二次资源和化学原料，并围绕电子塑料的高值转化构建涵盖催化、反应工程、可再生能源、材料设计及政策机制的系统性循环利用框架。

研究认为，塑料是电子废弃物中增长迅速、但长期未得到充分重视的资源。电子塑料不应仅被视为需要处置的环境负担，而应被视为可用于生产高附加值材料的化学原料。实现这一潜力，需要同步推进转化技术创新、系统层面的工艺集成，以及支持循环材料利用和资源高效价值链建设的政策体系。

电子塑料成为新能源固废中的重要组成部分

塑料是现代电子系统不可或缺的基础材料，广泛承担轻量化结构支撑、电气绝缘、热管理和机械稳定等功能，其应用范围已经从消费电子产品扩展至风电、光伏、储能和数字基础设施等多个领域。在新能源装备中，电子塑料以多种形态存在。例如，风机叶片通常包含环氧树脂基纤维增强复合材料；光伏组件中使用乙烯-醋酸乙烯共聚物封装材料、聚合物背板及接线盒材料；储能电池中则包含聚合物隔膜、绝缘部件和塑料外壳。此外，大量电子电器产品还使用丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物、聚碳酸酯及其共混物、高抗冲聚苯乙烯、环氧树脂和纤维增强复合材料。

从分子结构来看，这些材料并不是简单的通用塑料，而是通过聚合物结构设计、添加剂配方控制以及界面工程形成的复杂多组分材料体系。其组成和结构经过精确设计，以满足电子产品对于电气、热学、阻燃、耐久和机械性能的严格要求。与此同时，随着电子产品更新速度加快以及新能源设备逐步进入集中退役期，电子废弃物正在成为全球增长速度较快的废物流之一。塑料虽然占据电子废弃物的重要比例，却长期处于资源回收体系的边缘位置。

与钴、金、铜和稀土元素等具有明确经济价值的金属相比，电子废弃物中的塑料通常被视为低价值残余物，主要进入降级利用、焚烧或填埋处置环节。研究指出，出现这一现象并不是因为电子塑料缺乏价值，而是由于其分子结构、添加剂组成和材料集成方式高度复杂，现有回收体系尚不足以有效处理这些材料。

复杂组成限制传统回收技术应用

电子塑料与包装塑料存在明显差异。包装塑料通常组成相对单一、结构较为均匀，更适合采用传统分选和机械再生技术。电子塑料则往往具有多聚合物混合、多添加剂共存以及多材料高度集成等特点。

从聚合物化学角度看，电子塑料可能包含交联热固性网络、共聚物结构、芳香族主链以及多功能添加剂。其中，阻燃剂、稳定剂、填料和增强纤维等组分能够显著改变聚合物的反应活性和热降解行为，增加回收处理难度。与此同时，电子塑料通常与金属、陶瓷和电子元件紧密结合。即使经过破碎和机械分选，塑料组分中仍可能残留铜、铝、铁以及少量贵金属。电子塑料因此处于一种特殊状态：其组成过于复杂，难以直接采用传统塑料回收方式处理；但其中蕴含的碳、氢、杂原子和金属资源，又使其不应被简单视为废物。

研究认为，解决这一矛盾的关键，不是要求电子塑料在进入回收系统之前完全消除其复杂性，而是发展能够容纳、利用甚至放大这种复杂性的转化技术。

添加剂与金属残留物也可能转化为资源优势

电子塑料中广泛存在的芳香族聚合物结构，使其具备转化为功能碳材料的潜力。从化学组成来看，这些塑料更接近经过人工设计的含碳原料，而不是普通的一次性废弃物。电子塑料中的芳香族骨架可以进一步转化为石墨化碳或多孔碳材料，其中所含的氢元素也可通过适当的化学或热化学路径回收，作为氢能或其他能源载体的来源。

值得关注的是，传统回收过程中被视为干扰因素的添加剂，在特定转化路径中可能成为功能材料制备的资源。部分阻燃剂含有溴、磷和氮等杂原子，这些元素可以在碳材料形成过程中发挥掺杂作用，调节材料的电荷分布、表面极性、缺陷密度和电子结构，从而改善所得碳材料的电化学、催化和吸附性能。此外，电子塑料中残留的金属也并非完全属于杂质。在热化学转化过程中，部分金属可能发挥原位催化作用，促进聚合物断键、气体生成或碳材料结构演化。

研究指出，对于受到污染、老化或发生结构降解的电子塑料，试图完全保留原有聚合物结构往往面临较大困难。相比之下，将其重新定义为包含碳骨架、氢、杂原子和催化金属的多功能原料，可能为电子塑料资源化提供更具现实意义的方向。

现有回收路径仍存在多重局限

研究系统分析了机械回收、溶剂回收和热化学转化等现有路径在处理电子塑料时面临的局限。

机械回收通常依赖清洁、均一且可稳定分选的原料，而电子废弃物中的塑料很难满足这些条件。不同聚合物之间的相容性较差，阻燃剂、填料和其他添加剂可能干扰熔融加工过程，材料在使用和再加工过程中还可能发生热氧化降解，最终导致再生塑料性能下降，产品通常只能进入附加值较低的应用领域。

溶剂回收可以利用不同聚合物溶解度的差异，实现部分塑料的选择性溶解和分离。然而，该技术通常需要消耗较大量的溶剂，并面临溶剂回收、过程安全、经济成本和工业放大等问题。对于混合电子废弃物而言，交联聚合物、无机填料以及添加剂与聚合物之间的相互作用，还会进一步影响材料的溶解和分离效率。

热解和气化等热化学技术对复杂原料具有更强的适应性，可以将电子塑料转化为热解油、可燃气体、炭材料或以氢气和一氧化碳为主的合成气。但此类过程仍然面临产物选择性不足、含卤组分造成设备腐蚀、脱卤过程复杂以及整体能源效率有待提高等问题。

研究认为，现有回收体系更深层次的局限，在于多数技术仍以恢复塑料原始形态或原有材料属性为主要目标，而没有充分利用电子塑料内部蕴含的化学价值。对于高度复杂且已经发生老化的电子塑料而言，这一传统目标可能限制其资源价值的进一步释放。

电气化与等离子体技术提供新的转化路径

针对电子塑料复杂组成带来的技术瓶颈，研究提出，可通过催化转化、电气化反应器和等离子体等过程强化技术，构建高活性、可调控的反应环境，实现聚合物高效解聚、脱卤和定向转化。

等离子体辅助转化可以提供极高温度和高活性非平衡反应环境。在这一环境中，可以生成自由基、离子、振动激发分子和高能电子等活性物种，从而促进聚合物中的C—C键、C—H键和C—X键断裂。这种转化方式能够在一定程度上容忍原料中的污染物和复杂添加剂，并有望将电子塑料转化为富氢气体和高质量碳材料。

以焦耳加热和感应加热为代表的电气化热反应器，则可以实现快速升温以及对温度和反应时间的精确控制。与传统外部加热方式相比，电气化反应器有望减少传热限制，并为可再生电力直接驱动塑料转化提供技术基础。

催化技术可以进一步提升上述过程的反应选择性和能源利用效率。未来的催化剂设计可能不再局限于促进单一反应，而是开发具有多功能活性位点的催化体系，同时促进聚合物解聚、氢气生成、脱卤以及碳纳米结构形成。

不过，研究同时指出，多数电气化和等离子体转化技术仍处于早期发展阶段。其工业化应用仍需要解决反应器工程、设备材料稳定性、催化剂寿命、能源效率以及系统集成等问题。

从废弃物处理转向材料制造平台

研究提出，电子塑料回收需要经历一次更为根本的理念转变：回收的目标不应仅是减少废弃物，而应逐步转向材料和化学品制造。这一转变意味着电子塑料循环利用将从传统回收模式，进一步发展为“循环碳化学”体系。通过受控化学反应，将废塑料中的聚合物链、芳香结构、氢元素、杂原子和金属组分重新组织，定向转化为具有明确功能的分子产品和固态材料。

基于这一思路，电子塑料可以作为生产氢能、功能碳材料、电催化材料及储能材料的原料。其中，电子塑料所含的芳香结构可以用于构建石墨化碳和多孔碳，阻燃剂中的杂原子可以形成掺杂结构，残留金属则可能参与形成金属—碳复合材料或提供催化活性。

研究构建了电子塑料循环利用的整体框架，将先进催化、电气化转化、可再生能源、先进分离技术和材料设计等要素进行系统整合。电子塑料经过化学转化后，可形成分子原料、回收金属和功能材料，并重新进入材料制造价值链。在可再生能源驱动下，这一闭环体系有望同时实现资源回收、价值创造和电子塑料的循环利用。

产业化需要科学、工程与政策协同推进

研究认为，要真正释放电子塑料的资源潜力，需要科学研究、工程放大、系统评价和政策机制同步推进。在基础科学层面，需要进一步研究复杂原料中的反应路径和产物形成机制，并开发适用于混合塑料体系的催化剂。尤其需要关注反应中间体、催化剂失活、自由基演化以及聚合物结构与反应活性之间的关系。原位和工况条件下的先进光谱表征技术，有望用于追踪快速变化的反应过程；计算化学和分子模拟则可以帮助研究人员理解复杂反应网络，为催化剂和反应条件设计提供理论依据。

在工程层面，需要开发可规模化、低能耗并能够与可再生能源协同运行的反应器系统。相关技术在研发初期就应开展系统层面的综合评价，而不能仅以实验室阶段的产率或转化率作为技术判断依据。

生命周期评价和技术经济分析可以用于评估不同转化路径的能源消耗、碳排放、经济成本和环境影响，帮助研究人员识别潜在的环境负担转移，并筛选更具工业可行性的技术路线。

人工智能技术也可能在电子塑料循环利用中发挥作用，包括加快催化剂设计、提高复杂原料分选效率、优化热化学和电气化反应过程，以及辅助不同技术路线的决策。人工智能如果与生命周期评价和技术经济分析相结合，有望帮助识别在真实工业条件下更稳定、更具扩展性的解决方案。

建议将电子塑料纳入独立管理体系

除技术和工程创新外，政策框架同样是影响电子塑料循环利用的重要因素。

研究建议，可以考虑在电子废弃物监管体系中将电子塑料作为独立类别进行管理。现有回收政策通常以回收质量或回收比例作为主要指标，但这种以质量为基础的考核方式，未必能够充分反映材料回收后的功能价值和环境效益。

未来政策可进一步鼓励回收功能材料、高附加值化学品和关键资源，而不是仅追求废弃物处理量。生产者责任延伸制度也可以与产品设计相结合，推动企业在电子产品和新能源装备设计阶段考虑材料拆解、分离、回收和再利用需求。

此外，电子塑料循环利用横跨材料科学、聚合物化学、化学工程、环境科学、能源技术和公共政策等多个领域。其发展需要不同学科、企业和管理部门之间建立更加紧密的协作机制。

为新能源固废高值利用提供系统方向

总体来看，电子塑料既是不断增长的环境负担，也是一类尚未得到充分开发的资源。通过重新审视其化学组成和材料价值，电子塑料有望从传统废弃物处理体系中的低价值残余物，转化为循环材料体系的重要原料。

研究认为，电子塑料本质上可以被视为一个经过人工设计的化学资源库，其中包含碳骨架、氢、杂原子以及具有潜在催化作用的金属组分。这些资源可以通过适当的催化、热化学和电气化过程，重新导入材料和化学品价值链。

这一转变仍需要新型转化技术、配套政策体系以及材料利用理念的共同变革。但从资源效率、环境可持续性和技术创新的角度看，电子塑料高值利用具有较大发展潜力。

此次成果紧密契合我国“双碳”目标及新能源产业发展需求，为退役风机叶片、废旧光伏组件、储能电池和电子电器产品中的塑料资源化提供了理论框架与技术方向，也为提高资源利用效率、保障资源安全和推动循环经济发展提供了新的研究思路。

需要看到的是，从实验室概念走向规模化应用，电子塑料高值转化仍需解决原料组成波动、脱卤与污染物控制、反应器耐久性、能源成本、产品质量稳定性和市场需求等问题。未来，相关技术能否形成环境效益与经济效益兼具的产业模式，仍有待中试验证、生命周期评价以及长期运行数据的进一步检验。

但从更长远的角度看，将电子塑料从“待处置废物”重新定义为“材料制造原料”，正在为新能源固废循环利用打开一条新的技术路径。（来源：Nature Reviews Chemistry ）

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