近日，上海交通大学环境科学与工程学院张礼知/毛成梁团队在美国化学会志《Journal of the American Chemical Society》上发表了题为“Solar-Driven Dehalogenation and Upcycling of Brominated Plastic Waste”的研究论文。该论文报道零价铁-分子筛双功能光热材料，实现危险溴化废塑料一步脱溴和高值蜡油回收。论文第一作者为博士研究生徐钧洲，通讯作者为毛成梁副教授和张礼知特聘教授，第一完成和通讯单位均为上海交通大学环境科学与工程学院。

研究背景

大体量、持久性废塑料引起的环境污染问题日益严峻。主流环境技术（如填埋、焚烧等）难以低碳、无害化处置废塑料，物理回收也仅能实现塑料有限次降级利用。废塑料无限循环的关键在于化学回收，但是目前方法多针对纯净塑料，难以处理含添加剂的真实废塑料。

溴代阻燃剂（BFRs）因广泛存在于电子、电气、建材等塑料中（含量高达15 wt%），是实际废塑料回收无法避免的关键添加剂。更重要的是溴代阻燃剂易被当前热化学法转化为腐蚀性、致癌溴化物，严重威胁装置和人员安全。危险溴代阻燃剂塑料化学回收需要同步脱毒与产物增值，所面临的关键挑战在于精确调控两条竞争化学路径：溴代阻燃剂完全脱溴和塑料化学键受控的部分断裂。然而，因其难度远高于含氯塑料处置，溴化废塑料暂时难以升值回收（upcycling）。因此，亟需一种能选择性断裂C–Br键、固定溴元素并回收塑料有价值C、H组分的新方法。

图1. 零价铁-分子筛材料光热回收溴化塑料的路径示意图

该团队提出利用廉价、强吸光、高比表面积金属铁选择性固定溴代阻燃剂中溴元素，结合具有C–C/H/Br裂解功能的分子筛材料，实现太阳光驱动的溴代阻燃剂塑料（溴化聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯）一步光热化学升值回收。在零价铁-分子筛杂化材料中，体心立方铁通过热力学有利的溴原子插入反应（ΔG0<0，ΔS0>0）转化为非密堆积八面体铁溴化物（FeBr2），耦合其纳米结构（nZVI）表面的等离子效应和氢溢流，转化HZSM-5分子筛中Br?nsted酸性Si–OH–Al位点为新型瞬态Si–OH2–Al位点，从而促进高效氢转移（HAT）以实现塑料C–C加氢断裂和–CH?封端，避免氢–溴重组。该研究建立了实际废塑料无害化处置和资源化回收的可持续光热化学新路径，避免溶剂、共反应物等化学试剂和高成本、高能耗热化学过程。

研究内容

零价铁-分子筛杂化材料由含分子筛的铁离子溶液经硼氢化钠还原制备，其微观结构为粒径20–60 nm核壳结构纳米零价铁（Fe@FeOx）均匀负载于分子筛表面。以真实含十溴二苯乙烷（典型BFRs）的废聚苯乙烯塑料为反应物，在室内模拟太阳光照射、无外加热源和化学试剂的条件下，该杂化材料30分钟内实现50 mg塑料89%的转化率和92%的脱溴率，远优于单独零价铁（52%转化率，>80%脱溴率）或者分子筛（82%转化率，43%脱溴率）材料。室外太阳光下（0.5米×0.5米菲涅尔聚光镜，3.7-4.2 W/cm2）的放大实验表明，该杂化材料可实现2小时5克溴化聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯76–82%转化率及85–89%脱溴率的转化，反应速率高达1.93 gplastic cm-2·h-1。

图2. 零价铁-分子筛光热材料表征与溴化塑料回收性能

系统构效关系研究表明，固定杂化材料中零价铁组分和分子筛孔径，反应性能与分子筛Br?nsted酸度（0.63~0.05 mmol/g范围内）呈“火山型”关系：Si/Al比为25时性能最优，酸度过强或过弱导致产物选择性和脱溴率下降；固定杂化材料中零价铁组分和分子筛酸密度，小孔径HZSM-5（5.5 ?）的转化率（89%）和脱溴率（92%）远优于大孔径Hβ（6.8 ?, 59%/84%）和HY（9.3 ?, 46%/74%），这一现象与传统石油烃择形裂化中产物尺寸随分子筛孔径增大的规律相反，表明光热塑料回收反应主要发生在分子筛表界面。

图3. 光热材料结构与溴化塑料回收性能的构效关系

反应动力学和溴固定过程研究表明，在4.0 W·cm-2光强下，零价铁-分子筛可实现30分钟内溴化聚苯乙烯塑料>90%脱溴率和>85%转化率。聚苯乙烯转化与脱溴过程均遵循准一级动力学（R2≥0.98），速率常数分别为0.6468 min-1和0.1204 min-1。基于Langmuir-Hinshelwood表界面反应模型分析，聚苯乙烯转化的决速步为表界面反应或产物脱附；脱溴选择性发生在零价铁表面，因不涉及脱附过程，其决速步为铁与溴的固相反应（Fe + 2Br → FeBr2）。

图4. 溴化塑料回收反应动力学研究 

图5. 零价铁–分子筛光热材料的溴固定过程

电子自旋共振波谱（EPR）、原位光照漫反射红外傅里叶变换光谱（DRIFTS）和H/D同位素交换实验共同揭示光热化学回收分子机制：nZVI-HZSM-5通过光致局域热引发溴化塑料中C–Br、C–H键非自由基断裂，Br原子随后被零价铁固定为FeBr2，而H原子通过溢流在分子筛表面生成新型Si–OH2–Al活性位点（区别于传统Si–OH–Al位点），该位点在高温下通过向聚苯乙烯转移H原子实现C-C键加氢断裂，部分解聚的聚苯乙烯碎片通过脱氢（C–H键断裂）回补材料表界面消耗的H原子，如此循环，直至塑料被断裂为蜡油产物，并通过光致局域热从催化剂表界面蒸发分离而终止反应。

图6. 反应机理研究

作者介绍

徐钧洲，上海交通大学环境科学与工程学院博士研究生。主要从事废塑料光热资源化研究，以第一作者身份在Journal of the American Chemical Society发表论文1篇。

毛成梁，上海交通大学长聘教轨副教授，研究成果以第一/通讯作者在Nat. Catal., Nat. Commun.(4), JACS(3), Angew. Chem.(3), Chem(2), Joule等期刊发表论文20余篇，参与Elsevier英文专著编写1部，SCI引用6000余次，H指数36，ESI全球1%高被引论文11篇，获得中国、美国发明专利授权各1项，申请加拿大发明专利6项。2025年英国皇家化学会Environment, Sustainability and Energy Horizon Prize和2020年中国化学会-化学化工与材料京博优秀博士论文提名奖获得者，共同指导的多名国内国际学生被上海交通大学、剑桥大学、洛桑联邦理工学院、多伦多大学、加州大学伯克利分校的硕博研究生项目录取。

张礼知，上海交通大学环境科学与工程学院特聘教授，国家级人才入选者，湖北省高层次人才工程第一层次入选者（2012），湖北省高端人才引领培养计划第二层次入选者（2012），教育部新世纪优秀人才支持计划入选者（2007），洪堡学者（2006-2007，德国马普胶体与界面所）。已获授权中国发明专利50余项，其中授权美国专利2项。在Nature Sustainability、Nature Synthesis、Nature Communications、Chem、PNAS、JACS、Angew. Chem.、AM、ES&T、WR等国际学术期刊发表论文430多篇，其中38篇入选ESI高被引论文，2篇入选ESI热点论文。论文已被引用52800多次，其中他引51300多次，H因子131。担任中国可再生能源学会太阳光化学专业委员会委员、英国物理学会出版社旗下期刊Sustainability Science and Technology执行编委，化学学报、化学进展、环境化学、环境科学等杂志编委。2008年获得湖北省自然科学二等奖（第一完成人），2014年起连续入选爱思唯尔中国高被引学者榜单，2015年获教育部高等学校科学研究优秀成果奖（科学技术）自然科学二等奖（第一完成人），2018年-2023年连续入选科睿唯安交叉领域全球高被引科学家榜单，2024年起连续入选科睿唯安化学领域与环境和生态领域全球高被引科学家榜单，2019年获湖北省自然科学一等奖（第一完成人）。