南京林业JECE | 沸石控制临氢热解:聚苯醚废料高选择性转化为苯和甲苯

通讯作者：王佳.a南京林业大学 化学工程学院 林产化学与材料国际创新中心 江苏省林业资源高效加工利用协同创新中心.b 中国林业科学研究院 林产化学工业研究所.c 美国 加利福尼亚大学伯克利分校 环境科学、政策与管理系.d 美国 田纳西大学 化学与生物分子工程系.e 瑞典 皇家理工学院（KTH） 材料科学与工程系.

https://doi.org/10.1016/j.jece.2026.121267

 Available online 14 January 2026.

【背景介绍】

可持续能源转型背景下，液有机氢载体（LOHCs）是氢存储与运输的关键方案，苯（B）和甲苯（T）因高氢存储密度成为理想选择，但传统生产依赖化石原料，碳排放量高且资源有限。同时，塑料废弃物回收压力大，聚亚苯基氧化物（PPO）作为富含芳香结构的工程塑料，其废弃物未被有效利用，且现有塑料转化技术存在选择性低、依赖贵金属催化剂等问题。 

为解决上述困境，本文提出无金属催化路径，图1清晰对比了传统化石基BT合成与PPO废弃物催化转化的循环碳路径，凸显该技术在碳回收与氢能源整合中的创新价值。PPO自身具有芳香骨架和C-O醚键的独特结构（其元素组成见表1，含79.3%碳、6.5%氢和14.0%氧），为简化BT合成流程提供了结构基础，而沸石催化剂（如HZSM-5）的特殊孔隙结构与酸性，成为实现高效转化的核心支撑。

【研究亮点】

1.无金属催化体系：采用沸石催化剂实现PPO废弃物向苯/甲苯（BT）的转化，无需贵金属，降低成本。 

2. 高选择性转化：HZSM-5催化剂的BT选择性超85%，大幅抑制多环芳烃和积炭等副产物。 

3. 温和反应条件：在0.2 MPa低压氢环境下完成转化，能耗更低，安全性更高。 

4. 结构-性能精准匹配：明确沸石的中等Brønsted酸度与中孔结构是高效转化的关键，为催化剂设计提供依据。 

5. 双效协同价值：同步解决塑料废弃物回收与氢存储载体生产问题，助力低碳循环经济。

【图文说明】

1、PPO热降解行为与反应温度选择 

通过热重（TG）和导数热重（DTG）分析（图2）发现，PPO在400℃以下几乎不分解，435℃左右开始剧烈降解，453.3℃时降解速率最快，到800℃时总质量损失达75.6%，说明此时PPO分子已充分挥发分解。为确保PPO完全解聚并最大化芳香族中间体生成，实验选择650℃作为催化加氢热解温度，该温度远超其主要降解区间（420-470℃），能为后续生成苯、甲苯等氢存储载体提供良好条件。 

2、催化与非催化加氢热解对比：提升液氢载体产量 

在650℃、0.2MPa氢气压力下，对比无催化剂和HZSM-5催化的PPO加氢热解结果（图3）发现，无催化剂时，PPO降解产物中酚类化合物占比超90%（图3b），主要是2,6-二甲基苯酚（63.9%）等甲基化酚类，几乎检测不到芳香烃；而加入HZSM-5（Si/Al=23）后，单环芳香烃（MAHs）产率骤升至50%以上，多环芳香烃（PAHs）极少（图3c），其中苯和甲苯的选择性分别达11.9%和76.8%（图3d）。GC/MS色谱图（图4）也清晰显示了这种产物分布的巨大差异，且HZSM-5的Si/Al比越低（酸性越强），酚类转化为芳香烃的效率越高，Si/Al=23时效果最佳。 

3、催化剂拓扑结构与酸性对BT选择性的影响 

对比6种不同拓扑结构和酸性的沸石催化剂（HSSZ-13、SAPO-34等）的性能（图5），发现HZSM-5的芳香烃产率最高、残留酚类最少，苯和甲苯总产率达30.4%（图5c）。SEM表征（图6）显示HZSM-5为聚集片状颗粒，N₂吸附数据（表2）表明其比表面积370.76m²/g、微孔体积0.14cm³/g，这种中孔（~5.5×5.1Å）结构能让PPO降解产生的酚类中间体顺利扩散并吸附，同时抑制聚合反应。而HSSZ-13、SAPO-34的孔径过小（~3.8Å），大分子中间体无法进入；USY孔径过大（~7.4Å），易引发副反应，均导致BT产率偏低。 

4、反应条件优化：提升BT产量 

催化剂与原料质量比（C/F）的影响： 在650℃、0.2MPa氢气条件下，调整C/F比（1.25-26.25）发现（图7），C/F比越高，酚类转化越充分，芳香烃产率越高。当C/F比升至21.25以上时，酚类含量接近零，芳香烃占比达100%，苯和甲苯总产率从5%提升至60%左右（图7c），21.25是兼顾催化效率和经济性的最佳比例。 

反应温度的影响：在0.2MPa氢气、C/F=26.25条件下，温度从450℃升至750℃时（图8），450℃时几乎无BT生成，550℃后芳香烃快速增加，650℃时残留酚类低于10%，750℃时芳香烃总产率达63.3%，BT产率57.4%。但过高温度可能导致过度裂解，因此650-700℃是平衡BT产率和副反应的最优温度区间。 

5、反应机理：沸石酸性调控BT选择性 

通过NH₃-TPD和Py-FTIR分析（图9、表3）发现，HZSM-5的总酸度为1.94mmol/g，Brønsted/Lewis酸比（B/L）为1.8，这种温和且平衡的酸性是高效转化的关键。其机理为（Scheme 2）：PPO热解生成甲基化酚类中间体后，HZSM-5的Brønsted酸位点先质子化醚键使其断裂，再激活氢气生成活性氢物种，选择性去除氧原子（生成水），同时保留芳香环，最终生成苯和甲苯。SAPO-34因Brønsted酸不足，无法有效激活反应；USY酸性过强（B/L=9.2），导致中间体过度裂解和积炭，均降低BT选择性。 

【声明】

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