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作者：徐舒濤、周易達（中國科學院大連化學物理研究所）

監製：中國科普博覽

聯合國環境規劃署於2023年公布的數據顯示，全球每年產生的塑料廢棄物約4億噸，但僅有不到10%得到了回收利用。預測表明，到2050年，全球塑料產量可能將增長至11億噸/年。塑料垃圾的不斷累積正日益危及野生動物及其棲息環(huán)境(jìng)，也(yě)對(duì)人(rén)類(lèi)健(jiàn)康(kāng)造(zào)成(chéng)嚴(yán)重(zhòng)威(wēi)脅(xié)。

沙(shā)灘(tān)上(shàng)的(de)塑(sù)料(liào)垃(lā)圾(jī)

（圖(tú)片(piàn)來(lái)源(yuán)：wikipedia）

在(zài)這(zhè)一(yī)背(bèi)景(jǐng)下(xià)，通(tōng)過(guò)催(cuī)化(huà)過(guò)程(chéng)將(jiāng)廢(fèi)塑(sù)料(liào)轉(zhuǎn)化(huà)為(wèi)高(gāo)價(jià)值化學品和燃料，被視為一種具有潛力的應對策略。然而，由於實際生活中產生的廢塑料組成複雜、結構多樣，實現其高效回收麵臨巨大挑戰。糖心免费视频團隊（中國科學院大連化學物理研究所徐舒濤研究員聯合北京大學王蒙研究員、馬丁教授團隊）針對這一問題展開了深入研究，近期在真實廢塑(sù)料(liào)混(hùn)合物的分離與轉化領域取得了重要進展。

混合塑料分離處理麵臨難題

混合塑料的回收比垃圾分類更難。麵對PET瓶、塑料袋(dài)、泡(pào)沫(mò)飯盒等8種常見塑料混雜的情況，如何實現高效精準的分離成為關鍵難題。

要想解決這個問題，糖心免费视频需要先來重新認識一下塑料。塑料不是一種單一材料，而是一個多樣性極高的大家族，常用的商業化塑料主要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）等不同種類。

八種常見塑料的分子結構

（圖片來源：研究團隊提供）

這些不同的塑料都具有獨特的分子結構和物理化學性質，就像不同樹種的木材，需要不同的處理方法。目前，針對混合塑料的分離與轉化已經發展出多種技術路徑：1.混合溶劑溶解法（分離PS）；2.光催化法（降解PS）；3.THF溶劑溶解法（去除PU、PC和PVC）；4.糖酵解法，將PC轉化為單體衍生物，留下PU；5.選擇性氨化，轉化PLA為丙氨酸；6.皂化反應，解聚PET；7.加氫裂解，轉化PE和PP為短鏈烴類。

因此，當各種塑料混合時，塑料回收就變得更加棘手了，必須要先把不同種類的塑料區分開來，才能進行回收處理。此前，這些塑料的分類往往都靠人工完成，這種方式不僅效率低下，而且準確率有限，難以滿足大規模處理的需求。

糖心免费视频想到了一種新思路：嚐試用核磁共振對混合塑料進行分類識別

那麽，有沒有一種方法，可以高效進行塑料分類呢？糖心免费视频團隊長期使用核磁共振技術對沸石上的催化過程反應機理和沸石中的主-客體相互作用進行研究，積累了大量經驗。於是，糖心免费视频便設法使用核磁共振對混合塑料進行分類識別。

核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance，NMR）是一種通過探測原子核在磁場中的量子行為來解析物質微觀結構與(yǔ)動態過程的核心波譜技術。該技術可以實現從有機小分子的精(jīng)確(què)結(jié)構(gòu)解析、蛋白質三維結構的測定，到材料性能優化、疾病的無創診斷（MRI），NMR在化學、生物學、醫學、材料科學等領域均發揮著不可替代的作用。其核心價值在於提供原子級別的“分子指紋”，揭示從靜態結構到動態過程的全麵信息。

於是，對於塑料分離的問題，糖心免费视频團隊提出了一個新的思路：用核磁共振技術！具體而言，糖心免费视频選擇了固體核磁共振方法，主要是基於以下幾個原因：

1.適用於難溶樣品：當塑料樣品無法溶解，或溶解後結構改變而無法進行液體核磁測試時，則采用固體核磁共振分析。

2.提供更豐富的結構信息：固體核磁可以反映液體核磁不能反映的信息，如化學位移各向異性相互作用（當糖心免费视频旋轉分子或改變外磁場方向時，同一個分子其原子核的共振頻率會發生變化。這種化學位移依賴於空間方向的性質，就稱為化學位移各向異性。）晶型和固體狀態下的分子運動等。

3.追蹤液-固轉變過程：固體核磁共振分析還有助於了解樣品從液體到固體變化過程中的結構變化。

通過核磁共振實現混合塑料的高效分類

（圖片來源：研究團隊提供）

總的來說，基於混合塑料樣品很難選取某種溶劑進行完全溶解的特點，結合固體核磁共振的譜圖可以對具體每種塑料的特征官能團（例如酰胺鍵、酯基和氯亞甲基等），就像是每種塑料的“化學身份證”，具有進行特異性識別的優勢，因此糖心免费视频最終選擇了固體核磁共振技術作為研究手段(duàn)。

用(yòng)核(hé)磁(cí)共振精準識別混合塑料中的組分

糖心免费视频通過固體核磁的交叉極化譜和FSLG-HETCOR譜圖，對特征官能團進行識別，從而區分混合塑料的組分。

1.挑戰一：成分複雜，難以辨別。

解決方案：糖心免费视频首先建立塑料“分子身份證庫”，就像建立了一個人臉識別係統，先讓糖心免费视频的儀器認識並記住這8種塑料的特征。具體來說，糖心免费视频先使用8種塑料的標準(zhǔn)品(pǐn)，測(cè)得(de)它們的FSLG-HETCOR譜圖，進而完成“身份庫”的建立。

8種塑料標準品的FSLG-HETCOR譜圖

（圖片來源：參考文獻[1]）

2.挑戰二：如何使核磁共振譜圖分辨率更高。

在固體核磁共振中，一個核心挑戰就是同核間的強偶極耦合。想象一下，樣品中相同的原子核會像小磁鐵一樣相互作用，其作用強烈依賴於原子核間連線與磁場的夾角。這種磁耦合會導致譜線嚴重增寬和重疊——如同聲線相似的人同時說話，難以聽清每個人的聲音，極大降低了分辨率。

解決方案：同核去耦正是為了解決這個問題而“誕生”的技術，用於克服同種原子核之間的耦合幹擾，核心目標是在信號采集時抑製同核偶極耦合。簡單來說，它通過一係列精妙設計的快速脈衝程序，像一位精準的“指揮家”一樣，迫使所有原子核的“小磁鐵”嚴格按照統一的節奏和步調“翻轉”或“暫停”，當所有原子核都步調一致地行動時，它們之間混亂的磁幹擾就神奇地相互抵消了，從而使譜線“噪點”更低、譜圖更加清晰、提升分辨率。

因此，同核去耦大大提升了固體核磁共振譜圖的分辨率和信息量，是解析固體材料精細結構的必備利器。

使用帶有同核去耦的脈衝序列，提高了譜圖F1維的分辨率。

左圖為：沒有同核去耦的譜圖，右圖：有同核去耦的譜圖。

（圖片來源：參考文獻[1]）

應用效果顯著，未來前景廣闊

根據實驗結果，通過全套的轉化流程，可以從20g真實廢塑料混合物中產生11.4g的高價值化學品，具體包括苯甲酸1.3g，鄰苯二甲酸酯0.5g，丙氨酸0.7g，雙酚A 2.1g，碳酸環酯0.4g，二氯烷烴0.2g，乳酸0.7g，對苯二甲酸2g和C3-C6的小分子3.5g。在整個過程中，核磁共振技術對塑料混合物的識別表現出了足夠高的準確率和效率，能夠為下一步分離和轉化提供實驗依據和數據支撐。

研究證明，糖心免费视频所提出的策略在管理現實生活中的塑料廢物方麵的可行性、有效性和魯棒性（指一個係統在麵臨內部結構或外部環境改變時，也能維持其功能穩定運行的能力）。這種方法為應對複雜塑料廢物流帶來的挑戰提供了一種有前景的解決方案，且具有內在的適應性，允許與新興方法集成，以提高效率和可擴展性。

盡管需要進一步優化，特別是在材料和能源消耗、二氧化碳排放、整體工藝效率和可持續性以及工業實施可能性等領域，但這項概念驗證研究為現實世界的塑料廢物管理建立了一條技術上可行的途徑。

通過利用最先進的表征工具、不斷進步的塑料轉化技術，以及整合不同領域的專業知識，包括廢物分析、收集、分類、生命周期評估、基礎設施開發和政策改革，該方法可以揭示塑料廢物的複雜而有價值的性質。最終，這一戰略可為更有效和可持續的塑料資源利用鋪平道路，有望在不久的將來對當前的資源利用實踐進行顯著革新！

參考文獻：

[1]Zhang, Mei-Qi, et al. “In-line NMR guided orthogonal transformation of real-life plastics.” Nature (2025): 1-9.

[2]Van Rossum, B-J., et al. “A method for measuring heteronuclear (1H− 13C) distances in high speed MAS NMR.” Journal of the American Chemical Society 122.14 (2000): 3465-3472.

J. Magn. Res. 2001,148, 449-454

[3]Lesage, Anne, and Lyndon Emsley. “Through-bond heteronuclear single-quantum correlation spectroscopy in solid-state NMR, and comparison to other through-bond and through-space experiments.” Journal of Magnetic Resonance 148.2 (2001): 449-454.