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  一次性塑料由于其輕質、耐用、成本低廉等特性，極大的便利了人類的日常生活，其廣泛應用于包裝、建筑、汽車、電子和醫療等多個領域。然而，這種大規模生產和使用也帶來了日益嚴重的環境挑戰。根據國際塑料工業協會數據，2022年全球塑料產量已突破4億噸，并預計到2060年，這一數字將攀升至每年12億噸。與此同時，塑料廢棄物的回收管理卻遠遠跟不上其生產速度：2019年，全球有72%的塑料廢棄物被填埋或未妥善處理，另有19%被焚燒，僅有不到9%的塑料被有效回收再利用。這種傳統的廢棄物處理方式不僅會造成資源的嚴重浪費，還會引發土壤污染、水體污染、微塑料泛濫和溫室氣體大量排放等一系列環境問題。

  機械回收雖然是當前廣泛應用的塑料再利用手段，但存在明顯的不足，主要表現在再生塑料性能下降，只能生產出質量較差的次級材料，即所謂的降級回收。此外，機械回收對塑料廢棄物的純度要求較高，難以有效處理復雜、混合或污染嚴重的塑料廢棄物，尤其是具有化學惰性的聚烯烴類塑料（如聚乙烯和聚丙烯），更是難以回收。因此，開發高效、廣譜適用的塑料升級回收技術成為當前的研究熱點之一。

圖1 廢棄塑料現狀

  針對上述挑戰，四川大學肖嘯課題組在《自然·通訊》（Nature Communications）上發表了一項突破性研究，提出了一種基于有機光催化劑的塑料升級回收新策略。研究團隊開發并利用一種簡單易得的吩噻嗪衍生物（PTH-3CN）作為催化劑，在常溫常壓和可見光照射（405 nm LED）的條件下，高效地實現了對多種塑料的選擇性降解，并轉化為具有經濟價值的化學品。

  與之前的研究相比，該體系的顯著創新體現在以下幾個方面：首先，該體系對于大部分塑料具有降解適用性，包括聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）、聚氨酯（PU）、聚碳酸酯（PC）等七大類塑料，涵蓋全球80%以上的塑料廢棄物種類。更為重要的是，該技術不僅適用于單一類型塑料，也能高效處理現實生活中常見的消費后塑料廢棄物，例如食品包裝、CD盒、泡沫塑料等。另外，與傳統塑料回收方法相比，該研究提出的體系在反應條件上具有明顯優勢：該體系使用的催化劑負載量較低，最低可至500 ppm（0.05%），極大降低成本；可見光的運用則避免了高能耗的紫外光源；同時，反應能在常溫常壓條件下進行，僅以空氣為氧化劑，無需使用昂貴的高壓氧氣或惰性氣體保護，且反應體系中不含金屬催化劑或強酸等添加劑，避免了二次污染問題。

圖2

  研究團隊通過紫外-可見光譜、電化學分析、質譜、電子順磁共振（EPR）和密度泛函理論（DFT）計算等手段，對催化劑的作用機理進行了深入研究：確認催化劑PTH-3CN在反應中實際起到“前催化劑”的作用，在反應中逐步轉化為具有更高催化活性的三芳胺類衍生物。同時，證實了連續光誘導電子轉移（conPET）是催化體系的核心機制，該機制通過連續吸收兩個光子的能量，顯著提升了催化劑的氧化能力，有效氧化塑料中的C-H鍵。另外，實驗與計算共同證實羥基自由基（·OH）而非單線態氧（1O?）為反應中的主要活性物種，·OH與聚苯乙烯中C-H鍵的反應能壘僅8.3 kcal/mol，明顯優于1O?途徑。

圖3

  在拓展底物方面，該研究對于自合成的聚（4-叔丁基苯乙烯）進行了選擇性降解，實現了在催化劑負載量不同的情況下對4-叔丁基苯甲酸，對乙酰基苯甲酸以及對苯二甲酸的選擇性轉化。特別值得關注的是，該研究還創新性地利用了串聯反應策略，利用Friedel-Crafts酰基化反應進一步提高了聚苯乙烯降解產物的經濟價值，例如將苯甲酸轉化為價值約70美元/公斤的4-乙酰基苯甲酸，以及價值約200美元/公斤的對苯二甲酸。研究團隊認為聚合物斷鏈的機理是在生成聚合物自由基后，氧氣分子會與之結合形成過氧自由基，隨后通過β-斷裂實現主鏈的降解。這一過程對不同塑料表現出良好的普適性，即使是化學惰性很強的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）也能被有效降解。

  對于除聚苯乙烯以外的聚烯烴，該研究也實現了有效轉化。聚烯烴（比如PE和PP）被高效轉化為甲酸和乙酸；PET則被高效轉化為對苯二甲酸，收率高達93%；聚碳酸酯（PC）的降解與傳統的C-O鍵斷裂不同，該研究體系實現了C-C鍵的裂解，獲得了具有一定比例的羥基苯甲酸和雙酚A。為進一步驗證該技術的工業化潛力，研究團隊開展了一系列實際應用研究：實現了對混合塑料廢棄物的選擇性降解和全局普適性降解策略；利用流動反應器成功實現了10克級聚苯乙烯泡沫塑料的連續處理，僅使用17.5 mg催化劑即可高效生產4克以上的苯甲酸，證明了技術的可擴展性；直接利用回收得到的苯甲酸開展了Mitsunobu反應、酰胺化反應和鈀催化的C-H鍵芳基化反應，合成了具有生物活性的藥物中間體和工業用高價值化學品。

  雖然當前技術取得了重要進展，但未來仍需進一步探索以下方面：開發固載化催化劑以實現回收與再利用是綠色發展的關鍵。另外，進一步優化光源，嘗試太陽光能源以進一步降低能耗，或與酶催化或其他回收技術相結合，構建更完整的塑料循環經濟體系。

  該研究提出了一種高效、廣譜適用的可見光催化塑料升級回收新策略，成功解決了傳統方法能耗高、底物適用性局限、產物經濟價值低等瓶頸問題。通過深入機理研究和實用性驗證，不僅為塑料污染治理提供了創新技術路徑，也為發展綠色催化體系提供了重要參考。

  論文原文信息：

  Zhang, S., Wang, J., Su, D. & Xiao, X. Nat. Commun. 16, 4188 (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-59540-5

  https://www.nature.com/articles/s41467-025-59540-5