崔崇威教授团队Fuel：双功能催化剂（Fe-Ni/SiC）可使废塑料变废为宝

一、【导读】

环保领域的一大研究热点就是将废弃塑料变废为宝。在该领域中，微波催化热解技术是回收废塑料中高价值产品(如H₂、汽油组分、碳纳米管等)的潜在途径，因为它不仅具有热速率快、资源化效率高、高能效等优点外，还可以激发化学键断裂，实现长链聚合物的“定向裁剪”。 在微波催化热解的过程中，催化剂至关重要，过渡金属催化剂因其催化活性高、成本低在该领域备受关注。Fe、Ni和Co是催化剂中最常用的活性成分，它们通过接受电子促进碳氢化合物的解离，从而产生较轻的产物。值得注意的是，相比于单金属催化剂，多金属催化剂可通过调整各组分的比例，可以进一步提高催化剂的选择性和活性，从而提高高价值产品的收率和质量，但需要考虑的是，好的催化剂同样需要好的载体。

催化剂载体可以通过金属-载体相互作用激活和改变活性金属的电子和化学性质，影响碳氢化合物在催化剂上的吸附和解离。目前，大多数催化剂载体存在导热性差、易氧化、机械强度差等缺点。SiC作为潜在的催化剂载体，具有耐高温、机械强度好、化学稳定性好、导热性好等优点，引起了广泛的关注。此外，SiC作为一种良好的介电材料，可以作为微波吸收剂，为高温热解提供热能。此外，微波辐照可以通过在微波热解过程中活化催化活性组分来提高催化活性。因此，在微波催化热解体系中加入具有催化和微波吸收功能的改性SiC催化剂，有望降低商用催化剂和微波吸收剂的添加成本，提高经济性。然而，基于SiC载体的具有催化裂化和微波吸收双重功能的催化剂鲜有报道。

二、【成果掠影】

在此，哈尔滨工业大学崔崇威教授团队、东北师范大学师资博士后崔寒团队以SiC为催化剂载体，Fe和Ni为金属活性中心，制备了一系列兼具微波吸收和催化性能的双功能催化剂(Fe-Ni/SiC)。研究人员采用先进的微波热重炉对不同铁镍比催化剂的微波吸附性能和催化性能进行了研究。研究表明，双功能催化剂具有良好的孔隙结构和Fe₂O₃、NiO、NiFe₂O₄等活性组分，具有良好的介电性能和催化性能。催化后，低密度聚乙烯的升温速率为68.18-73.39 ℃·min^-1，失重速率为0.59-0.68 g·min^-1。升温速率的提高有利于提高热解程度，提前到达热解终点，降低能耗(最高11.54 MJ/kg)。当催化剂为Fe-Ni/SiC（2:1）时，气产率最高（73.61 wt%），H₂含量最高（73.89 vol%）。此外，铁负载越高，碳纳米管的石墨化程度越高。最后，通过升温失重特性、热解行为分析和热解产物特性，探讨微波吸收和催化机理。该研究为开发基于微波热解技术的新型双功能催化剂和有针对性地回收废塑料高质量产品提供了有意义的见解和技术支持。

相关研究成果以“Study on high-value products of waste plastics from microwave catalytic pyrolysis: Construction and performance evaluation of advanced microwave absorption-catalytic bifunctional catalysts”为题发表在国际著名期刊Fuel上。

三、【核心创新点】

1、该研究成功构建了一系列具有微波吸收和催化能力的双功能催化剂(Fe-Ni/SiC)，实现了废塑料微波催化热解的高价值应用。

2、可能的研究机制表明，Fe₂O₃、NiO和NiFe₂O₄作为主要的活性位点， 能与SiC载体相互作用，这是催化效果好的主要原因。

四、【数据概览】

图1 Fe-Ni/SiC催化剂制备流程图；© 2023 Elsevier Ltd. All rights reserved.

图2 不同改性SiC催化剂的XPS光谱；© 2023 Elsevier Ltd. All rights reserved.

图3 不同改性SiC催化剂的XPS分析:(a) Fe 2p和(b) Ni 2p；© 2023 Elsevier Ltd. All rights reserved.

图4 (a) XRD谱图，(b，c) N₂吸附-脱附等温线，(c)孔径分布，(d) SiC及改性SiC催化剂的H₂-TPR；© 2023 Elsevier Ltd. All rights reserved.

图5 SiC及改性SiC催化剂在2 ~ 18 GHz频率范围内的电磁参数为: (a) ε’，(b) ε“，(c) tanδε， (d)µ’，(e)µ”，(f) tanδµ；©  2023 Elsevier Ltd. All rights reserved.

图6 (a)不同催化剂的升温-失重特性，(b)这项工作的升温速度与最近出版物的比较；© 2023 Elsevier Ltd. All rights reserved.

图7 a) SiC微波热解所需能耗，(b) Fe / SiC，(c) Ni / SiC，(d) Fe-Ni/SiC (1:1)，(e) Fe-Ni/SiC (2:1)，(f) Fe-Ni/SiC(1:2)；© 2023 Elsevier Ltd. All rights reserved.

图8 不同改性SiC催化剂对产物分布的影响；© 2023 Elsevier Ltd. All rights reserved.

图9 (a)不同改性SiC催化剂对热解气体组成的影响，(b)本研究的H₂浓度与近期出版物的比较；© 2023 Elsevier Ltd. All rights reserved.

图10 不同改性SiC催化剂对(a)热解油组分、(b)直链烃和环烃含量、(c)碳数分布、(d)石油馏分的影响；© 2023 Elsevier Ltd. All rights reserved.

图11 (a1) SiC的SEM图像，(a2)铁/碳化硅，(a3)镍/碳化硅，(a4) Fe-Ni/SiC (1:1)，(a5) Fe-Ni/SiC (2:1)，(a6) Fe-Ni/SiC (1:2)，有(b1) SiC的图像，(b2)铁/碳化硅，(b3)镍/碳化硅，(b4) Fe-Ni/SiC (1:1)，(b5) Fe-Ni/SiC (2:1)，(b6) Fe-Ni/SiC(1:2)；© 2023 Elsevier Ltd. All rights reserved.

图12 不同改性SiC催化剂上碳沉积的拉曼光谱；© 2023 Elsevier Ltd. All rights reserved.

图13 改性SiC催化剂微波吸收及产品升级机理研究；© 2023 Elsevier Ltd. All rights reserved.

五、【成果启示】

总之，该研究以SiC为催化剂载体，Fe和Ni为金属活性组分，构建了兼具微波吸收和催化功能的Fe-Ni/SiC双功能催化剂，用于低密度聚乙烯的微波催化热解，获得了高质量的热解产物。Fe₂O₃、NiO和NiFe₂O₄是主要的活性位点，能与SiC载体相互作用，这是催化效果好的主要原因。此外，由于催化剂的引入，加热速率和热解速率加快，有利于微波催化热解的终点提前，能耗降低。最后，研究还表明双金属催化剂具有潜在的柔韧性，可通过调节活性组分的种类和比例，实现低密度聚乙烯热解产物的定向生产。

原文详情：Study on high-value products of waste plastics from microwave catalytic pyrolysis: Construction and performance evaluation of advanced

microwave absorption-catalytic bifunctional catalysts，2023，https://doi.org/10.1016/j.fuel.2023.128296）

本文由LWB供稿。