中國科學家創造“萬能解法”，將塑料垃圾轉化為高價值化學品

作者：閱讀：316次　發布時間：2025-08-22 09:31:15

【導語】塑料垃圾問題日益嚴峻，全球每年生產的塑料超過4.5億噸，其中大量一次性塑料製品在使用後被隨意丟棄，對環境造成長期汙染。中國科學家近期在Nature發表論文，提出了一種創新的塑料降解策略，成功將複雜塑料混合物轉化為高價值化學品，為塑料垃圾的“第二次生命”帶來(lái)了(le)希(xī)望(wàng)。本文將深入探討這一突破性進展及其背後的科學原理，揭示塑料降解的未來方向。

重生之塑料，中國科學家找到塑料降解新策略——讓垃圾成為高價值化學品新生。

撰文 | 李存璞（特種化學電源全國重點實驗室教授，中國化學會科普工作委員會委員）

當糖心免费视频拎著一袋垃圾走進小區角落的分類桶前時，大多數人並不會多想：這一袋塑料垃圾的“後半生”會發生什麽？是被回收？被焚燒？被填埋？還是，悄悄地進入了江河湖海，最終變成飄在太平洋上的塑料碎片，漂洋過海，隨風萬裏？

據估算，在塑料製品尚未廣泛應用的上世紀50年代，全球每年塑料產量約為200萬噸，而如今，全球每年生產的塑料超過(guò)4.5億(yì)噸(dūn)[1]；其(qí)中(zhōng)約(yuē)一(yī)半(bàn)是(shì)一(yī)次(cì)性(xìng)塑(sù)料(liào)製(zhì)品(pǐn)，並(bìng)且(qiě)有(yǒu)將(jiāng)近(jìn)2億(yì)噸(dūn)在(zài)使(shǐ)用(yòng)極(jí)短時間後，便被扔進自然界——土地、江河、海洋。它們將以一種超乎尋常的堅韌存在下去：上百年，甚至上千年。

糖心免费视频發明了塑料，也正在被塑料反噬。

既要永恒，又可揮之而去

人類對塑料製品始終有著一種不切實際的期待：在購買使用過程中，糖心免费视频希望它足夠耐用，耐用到可以作為傳家寶從商周時代用到上周依然完美如新；而在丟棄之後，糖心免费视频又希望塑料可以快速降解，不在環境中留下一絲痕跡。這像極了愛情，用愛情的標準來要求塑料製品：在一起時“海枯石爛”，分手之後又希望對方“飄然而去”。

塑料製品誕生之初，科學家把幾乎所有精力用於提高塑料的耐用性，如今糖心免费视频周圍的聚(jù)乙(yǐ)烯(xī)（PE）的(de)保(bǎo)鮮(xiān)膜(mó)、聚(jù)丙(bǐng)烯(xī)（PP）的(de)塑(sù)料(liào)杯(bēi)、聚(jù)甲(jiǎ)基(jī)丙(bǐng)烯(xī)酸(suān)甲(jiǎ)酯(zhǐ)（PMMA）的(de)有(yǒu)機(jī)玻(bō)璃(lí)、聚(jù)對(duì)苯(běn)二(èr)甲(jiǎ)酸(suān)乙(yǐ)二(èr)醇(chún)酯(zhǐ)（PET）、聚(jù)四(sì)氟(fú)乙(yǐ)烯(xī)（PTFE）的(de)不(bù)粘(zhān)鍋(guō)和(hé)聚(jù)氯(lǜ)乙(yǐ)烯(xī)（PVC）的(de)燈(dēng)牌，已經成為材料世界的中堅力量。這些材料性質各異，十分耐用——大多也很難被降解。

人們對塑料的消耗巨大，平均每人口每年消耗28公斤的塑料，而其中1/3會流落於環境當中，成為(wèi)環(huán)境(jìng)汙(wū)染(rǎn)物(wù)。

用(yòng)可降解高分子代替現有材料

為了解決塑料垃圾所帶來的環境問題，科學家們開始研究可環境降解的高分子材料：在微生物、酶、陽光和水的作用下，自動分解為水和二氧化碳，最終悄然回歸自然。這並不是科幻。

事實上，已經有不少材料做到了這一點：比如近年來已經廣泛使用的聚乳酸（PLA）外賣盒、吸管、購物袋。用這種材(cái)質(zhì)的(de)吸(xī)管(guǎn)雖(suī)然(rán)口(kǒu)感(gǎn)欠(qiàn)佳(jiā)，並(bìng)且(qiě)多(duō)吸(xī)幾(jǐ)口(kǒu)就(jiù)會(huì)裂(liè)開(kāi)，但(dàn)它(tā)切(qiè)切(qiè)實(shí)實(shí)地(de)比(bǐ)原(yuán)有(yǒu)聚(jù)丙(bǐng)烯(xī)（PP）吸(xī)管(guǎn)更(gèng)加(jiā)環(huán)保(bǎo)。

一(yī)些(xiē)科(kē)學(xué)家(jiā)正(zhèng)在(zài)改(gǎi)造(zào)木(mù)頭(tóu)，不(bù)是(shì)簡(jiǎn)單(dān)的(de)“用(yòng)木(mù)頭(tóu)替代塑料”，而是通過分子工程把木材細胞壁、木質素等變成可模塑、可降解的功能材料——不依賴石油資源，也沒有微塑料問題。這些成果在Nature、Science等頂級期刊頻頻出現[2-4]，一個由“自然重寫高分子合成邏輯”的時代正在來臨。

圖1 用天然木頭經過細胞工程製備的可加工的高強度蜂窩材料[3]。

傳統塑料怎麽辦？還能“搶救”嗎？

再激進的材料革命，也無法一夜之間替代全球數十億噸的塑料庫存——更何況這些可降解塑料往往價格更高，強度卻無法與傳統塑料相媲美。如何處理這些已經存在、正在生產、每天都在丟棄的傳統塑料，是另一個棘手而更現實的問題。

材料科學家也在試圖從分子結構上解決問題。

比如，有團隊在聚乙烯的主鏈中有選擇地引入酮基結構，使它在保留機械強度的同時具備了光降解性。太陽光可以讓它在使用後自動分解[5]。這意味著，糖心免费视频未來用的包裝袋、農膜，可能不需要回收，陽光就是最好的“處理廠”。

還有更先進的思路：設計能循環的塑料。科學家通過(guò)構(gòu)建(jiàn)特(tè)殊(shū)的(de)五(wǔ)元(yuán)環(huán)結(jié)構(gòu)（比(bǐ)如(rú)戊(wù)內(nèi)酯(zhǐ)），讓(ràng)這(zhè)些(xiē)聚(jù)合(hé)物(wù)在(zài)一(yī)定(dìng)條(tiáo)件(jiàn)下(xià)可(kě)以(yǐ)分(fēn)解(jiě)為(wèi)原(yuán)始(shǐ)單(dān)體(tǐ)，再(zài)重(zhòng)新(xīn)聚(jù)合(hé)[6]。這(zhè)樣(yàng)，一(yī)個(gè)礦(kuàng)泉(quán)水(shuǐ)瓶(píng)可(kě)以(yǐ)變(biàn)回(huí)“原(yuán)材(cái)料(liào)”，再變成新的瓶子，實現真正意義上的“循環永生”。

圖2 把礦泉水瓶PET降解為單體分子，又重新聚合[7]。

而對於已經廣泛使用的PET礦泉水瓶，在2005年，研究者發現一種叫cutinase（角質酶）的蛋白，可以切斷PET塑料（可樂瓶的主要成分）的分子鏈；進一步地，在2022年，有研究用人工智能預測突變位點，把這些酶進行生物工程改造，從而可以將PET降解為其原材料：對苯二甲酸和乙二醇[7]。這樣礦泉水瓶就實現了分子級別的再生。打球的時候阿姨收走的瓶子，很快會再生成一個新的飲料瓶，重新回到糖心免费视频手上。

化學與生物學，聯手出擊

現實世界的塑料往往不是單一材料，而是混合的、染色的、複合的，這也讓回收變得更加困難。對此，有研究提出了一個聰明的策略：先用化學手段打碎聚合物骨架，再用生物手段“啃食”降解產物。這樣的“化生協同”工藝可以處理原本難以回收的塑料混合物，轉化為可再利用的小分子中間體[8]。這就像先把一團亂麻剪開，再一點點拆線、理順。看似複雜，卻可能是破解塑料問題的現實路徑。

圖3.化學生物共同實現對混合塑料的降解[8]。

複雜塑料，也能“各得其所”

盡管關於塑料處理的進步不斷發展，可是真實生活中的塑料往往更加複雜，麵對混合、染色、多層複合、加了各種添加劑的塑料垃圾，有時真讓人束手無策。但在2025年6月，中國科學家在Nature發表論文，給出了一個鼓舞人心的答案。他們提出了一種“麵向產物”的策略，將真實生活中多種塑料混合物，逐一破解，最終成功轉化為8種以上的高價值化學品。這項工作做了三件看似簡單、實則極難的事：

1. 識別功能基團

他們利用二維固態核磁共振（2D FSLG-HETCOR NMR）技術，識別出塑料中各類官能團——酯基、芳香環、氯取代、碳骨架等，為下一步反應設計提供物質組成參考。

2. 按組“拆解”塑(sù)料(liào)

不同種類塑料的化學反應活性不同，團隊利用這種“正交性”，為每類組分設定獨立的反應路徑：

聚苯乙烯 → 光催化氧化 → 苯甲酸

聚乳酸 → 氨解 + 加氫胺化 → 丙氨酸

聚碳酸酯 → 解聚 + 醇解 → 雙酚A

PET → 皂化 + 催化偶聯 → 對苯二甲酸 + 乳酸

聚烯烴（PE、PP） → 加氫裂解 → C3–C6 烷烴

3. 處理真實塑料垃圾

除了驗證試劑級塑料樣品的可行性，研究人員還對包含泡沫飯盒、PLA吸管、PVC塑料袋、PET水瓶、PP滴管等生活垃圾進行了整體處理。在20克混合樣本中，共獲得1.3克苯甲酸、2.0克對苯二甲酸、2.1克雙酚A等8類化合物，實現了真正意義上的“垃圾資源化”。