塑料垃圾对生态环境造成严重破坏，而目前存在的处理方法有限且不可持续。一种有前景的方法是将塑料废弃物转化为有价值的化学品，比如将聚乙烯（PE）转化为芳烃。但目前的转化途径依赖于分子筛催化的热解和铂催化的直接芳构化。这两种方法都存在问题，前者需要高温且效率较低，后者依赖于贵金属。因此，探索更加高效、环保且经济的转化途径是环境可持续发展的迫切需要。

浙江大学肖丰收教授、王亮研究员和张治国教授团队通过构建串联催化剂体系将铝硅酸盐MFI分子筛纳米片催化剂(s-ZSM-5，对PE解聚成烯烃具有高活性和选择性)和负载ZnO_x的介孔MFI分子筛催化剂(Zn/meso-ZSM-5)结合在一起，在相对于一般热解的温和温度(400℃)下将PE直接转化为甲基化芳香化合物。通过在反应釜中填充Zn/meso-ZSM-5催化剂和s-ZSM-5催化剂，PE解聚和烯烃芳构化的级联反应有利于PE或富PE塑料选择性转化为甲基化芳烃。在PE全转化条件下，单次回收产率为60.1%的C₅₊产物中，芳烃产物占76.7%，其中甲基化芳烃、甲苯、二甲苯和三甲苯占93.4%。

本工作介绍了一种合理的催化剂设计以促进聚乙烯生成芳烃的反应，这一策略可以用于将一次性塑料转化为有价值的芳烃，如聚乙烯瓶、购物袋、食品包装和DKR-310塑料。

相关工作以《Selective conversion of polyethylene wastes to methylated aromatics through cascade catalysis》为题在《EES Catalysis》上发表

作者制备了多种分子筛催化剂并通过TEM对其进行表征。作者首先将PE与s-ZSM-5分子筛混合进料，PE完全转化为轻气体(C₁-C₄)，选择性为45.1%，C₅₊产物选择性为54.9%。将s-ZSM-5与Zn/ZSM-5物理混合并没有提高C₅₊产物的产率，但将C5+混合物中芳烃的比例提高到45.9%。在这种情况下，多烷基芳烃的产率为23.8%。

进一步尝试采用Zn/ZSM-5低于s-ZSM-5的双床填料方式，C₅₊的产率与物理混合催化剂相似，为49.9%，但芳烃的比例明显提高到60.4%。将Zn/meso-ZSM-5与s-ZSM-5结合在PE双床转化中，C₅₊产率和相应的芳烃分数分别提高到60.1%和76.7%。这些结果表明空间分离两种分子筛催化剂具有显著的优势。

作者通过核磁对Zn/meso-ZSM-5 + s-ZSM-5催化得到的C₅₊产物进行分析，包括甲苯、二甲苯和三甲苯在内的甲基化芳烃占总芳烃的比例高达93.4%，其余6.6%是主要的长链芳烃。C₅₊产物的¹³C NMR谱包含芳香区(120-150ppm)的信号，大部分对应于未取代环的碳。

此外，C₅₊产物的¹H NMR谱显示，大多数氢与单芳烃苯环(6.5-7.4 ppm)相结合，与多芳烃环(7.4-9.0 ppm)相结合的信号极弱。

为了探究催化剂在烯烃芳构化中的结构-性能关系，作者将丙烯直接添加到Zn/meso-ZSM-5、Zn/ZSM-5和Zn/s-ZSM-5催化剂中进行研究。

实验发现，Zn/s-ZSM-5的丙烯转化率和芳构化选择性最低，主要是由于烯烃在纳米片分子筛中的保留时间不足。与Zn/s-ZSM-5相比，Zn/s-ZSM-5的芳构化选择性有所提高，但焦化现象更为严重。这些结果表明，Zn/ZSM-5在焦炭生成和芳构化之间表现出平衡。

接着，作者将s-ZSM-5和Zn/meso-ZSM-5以不同的方式进行物理混合，与双床催化剂相比，C5+产物中芳烃的比例明显较低。这些结果表明空间分离的s-ZSM-5和Zn/meso-ZSM-5催化剂在高效转化方面的显著优势。

作者绘制了PE在s-ZSM-5和Zn/meso-ZSM-5上芳构化及其进一步利用的示意图。PE在Zn/meso-ZSM-5的物理混合催化剂上进入并解聚，这与芳构化相竞争，导致芳香产物的收率降低。

此外，Zn/meso-ZSM-5催化聚乙烯解聚生成大量重烃，有利于生成多环芳烃和长链烷基芳烃，而不是甲苯、二甲苯和三甲苯的甲基化芳烃。

按照上述步骤，作者模拟绘制多个活性位点的空间分布图。Zn/meso-ZSM-5的锌位与酸性位点之间的接近有利于促进烯烃芳构化，而烯烃芳构化依赖于ZnO_x优化的酸性位点进行协同环化和脱氢。

作者研究了长链烷烃芳构化的热力学行为，发现重烃分子直接转化为甲基化芳烃是强吸热反应，这在温和温度下是不利于反应的，而对于轻烯烃转化成甲基化芳烃则是有利的。在这些芳族化过程中，烯烃的氢化反应消耗了氢，从而在热力学上促进了反应。

最后，作者将级联催化剂用于DKR 310塑料，其中包含92.6%的PE和7.4%的杂质，所得到甲基化芳香烃的产率为49.3%，这种性能与使用纯PE的性能基本一致，表明此类级联催化剂有极大的潜力应用于实际生活中。

Selective conversion of polyethylene wastes to methylated aromatics through cascade catalysis, EES Catal 2023, 1, 529.

https://doi.org/10.1039/D3EY00011G