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从源头探索高分子材料的绿色化

  高分子材料是指单体通过加聚反应或缩聚反应得到的聚合物而形成的材料,如各种塑料、橡胶等,它也是制造纺织合成纤维的原料。随着高科技的迅猛发展,高分子材料在各行各业的应用日趋增多,而高分子材料的不可降解性和低回收利用率对环境造成的危害已不可低估,现已成为固体废弃物处理中的一个世界性棘手难题。

  绿色高分子材料是一种对环境友好的高分子材料。“绿色”是指从高分子材料合成的源头――单体着手,选择对环境友好的单体材料及合成工艺,并且考虑合成的高分子材料对环境的相容性(即在较短的时间内自然降解或解聚)及产品的生命周期性(产品使用后的回收利用)。

  虽然当前高分子材料的绿色化还主要表现在可降解性研究,但寻找更加绿色环保、可持续的合成原料一直是科学家们追求的目标。尤其是利用“温室气体”CO2合成高分子材料的研究,近年来频频出现在世界顶级学术期刊上。

  近日,加拿大多伦多大学Ted Sargent团队发布了一项研究成果,称其已经找到了最有效地将CO2转化为乙烯(ethylene)的条件。而乙烯便能再被用来制造聚乙烯(polyethylene),也就是全球年产量约8000万t、现今最普遍使用的塑料。 

  据了解,这项研究的核心工作是CO2还原反应的过程,在催化剂的辅助下,通过电流和化学反应将CO2转化为其他化学物质。在这种反应中,许多金属都可以做为催化剂,如金、银和锌能够催化生成CO,而锡和钯可以催化生成甲酸,铜则能催化产生乙烯。运用Canadian Light Source高级科学家Tom Regier开发的独特设备,研究人员能够实时研究整个二氧化碳还原反应过程中铜催化剂的型态、形状以及化学环境。进而确认乙烯生产最大化的精确条件,并通过调整催化剂来达成最大程度地提高乙烯生产量、同时将甲烷产量降至最低目的。这项研究已经公布在《自然》系列旗下最新冠名期刊《自然-催化》(Nature Catalysis)中。

  将CO2转化为乙烯的纳米结构铜催化剂表面

  在此之前,美国斯坦福大学的一个研究小组也在《自然》杂志登载的一篇论文中,提出了一种可以把二氧化碳以及农作物残留物等植物材料转化为塑料的研究成果。研究人员混合碳酸盐、CO2和由糠醛衍生获得的糠酸,将它们加热至200℃,呈现熔盐状态,持续5h后,熔盐混合物总量的89%会转化为2,5-呋喃二甲酸,进而生产可在一定程度上替代聚对苯二甲酸乙二酯的聚呋喃二甲酸乙二酯(PEF)。而2,5-呋喃二甲酸与对苯二甲酸不同,可以是生物材料的衍生物。

  除此之外,以淀粉等天然物质为基础在微生物作用下生成的生物塑料,具有可再生性,因此十分环保。明治大学通过改变蓝藻的氢合成酶,成功增产了生物塑料的原料――琥珀酸和乳酸,有望为解决未来的环境、能源问题作出贡献。研究成果刊登在《Algal Research》杂志上。

(来源:纺织科技杂志)

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