研究背景

全球每年产生数以亿吨计的塑料废弃物，传统处理方式面临严峻的环境压力。与此同时，化工关键原料“合成气”（Syngas）的生产又高度依赖化石燃料，过程能耗与碳排放量大。将废塑料转化为合成气，无疑是实现“变废为宝”的理想路径。

然而，现有的转化技术（如热解-催化重整等）往往面临三大瓶颈：依赖昂贵催化剂、反应条件苛刻、对原料清洁度要求极高。这使得它们难以处理现实生活中成分复杂、沾染油污或食物残渣的混合塑料，限制了实际应用。

因此，开发一种无需贵金属催化剂、适应性强、且能直接利用可再生能源的新型技术，成为破解塑料污染与绿色化工双重挑战的关键。本研究开发的焦耳加热湿法重整系统，正是为了突破这一困境而生。

河北大学高勇军教授、上海交通大学王天福教授及北京大学马丁教授团队，在《Nature Communications》期刊发布了“Syngas from waste plastics and water using Joule heating”的最新研究成果。该团队通过研发焦耳加热系统，无需额外过渡金属催化剂，成功将废塑料与水转化为合成气，且可利用太阳能驱动。这一成果为解决塑料污染、储存太阳能，提供了高效且可持续的新策略。

1. 反应器构建与基本操作

研究使用定制T型石英管反应器（主管长100 mm，外径25 mm），两端配备球阀与电极，中心放置陶瓷舟承载塑料样品与加热丝。通电后，加热丝在极短时间内升温至800°C，实现塑料的快速热解与水的气化/分解。气体产物通过气相色谱（GC）和质谱（MS）进行定量与分析。

2. 聚乙烯湿法重整的条件优化

以聚乙烯（PE）为模型塑料，系统考察了水量、加热丝直径、电流强度等参数对合成气产率的影响。结果表明：

• 当PE为14 mg（约1 mmol CH₂）、水30 μL时，CO和H₂产率分别达到99%和174%，碳平衡接近100%。
• 加热丝直径影响其电阻与最大耐受电流，需保证其处于“红热状态”才能实现高效重整。
• 系统可在25分钟内处理0.25 g PE与0.55 mL水，连续10批次反应累计处理2.5 g塑料（相当于一个食品袋）和5.5 g水，产率稳定。

3. 多种塑料与真实废塑料的适用性验证

除了PE，系统还成功处理了聚丙烯（PP）、聚苯乙烯（PS）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）等多种塑料，以及实际塑料制品如HDPE瓶、口罩、PET瓶、彩色/印刷PE袋等，甚至包括含饼干屑、米饭等食物残渣的塑料废弃物，均能有效转化为合成气。

4. 动力学与机理研究

• 动力学分析表明，PE在湿法重整中的降解速率常数（0.2546 min⁻¹）显著高于单纯热解（0.1043 min⁻¹），说明水的存在促进了塑料降解。
• 同位素标记实验使用D₂O代替H₂O，通过监测m/z=2（H₂）、3（HD）、4（D₂）信号，证实反应初期水分解贡献主要氢源，后期塑料脱氢与水的协同作用增强。
• 脉冲实验对比通电与不通电加热丝对甲烷湿法重整的影响，证明电场对维持加热丝表面活性至关重要。

5. 能量回收效率与生命周期评估

• 系统能量回收效率达4.11%，若采用光伏供电，ERE可提升至125.1%。
• 生命周期评估显示，使用光伏电力后，每生产1 kg合成气的温室气体排放可降低94.48%，初级化石能源消耗降低93.66%，环境效益显著。
  

图文解读

图1：焦耳加热湿法重整系统示意图

该图展示了由太阳能驱动的焦耳加热废塑料重整系统的整体结构。系统核心为T型反应器，中心放置FeCrAl加热丝，通过光伏板供电产生高温，将废塑料与水转化为合成气（H₂和CO）。图中清晰标明了进料口、电极、气体出口等关键部件，体现了系统的一体化设计与能量循环路径。

 

图2：不同条件下PE湿法重整性能对比

图2通过多组数据展示了聚乙烯（PE）在不同水量、加热丝功率、塑料类型等条件下的重整效果。结果显示，适量水（如30μL）可显著提升合成气产率，且系统对多种塑料（PP、PS、PET）及实际塑料制品（如口罩、瓶子）均具有良好适应性，碳平衡接近100%，验证了系统的广泛适用性。

 

图3：PE湿法重整与热解动力学分析

该图通过反应动力学曲线、一级反应拟合和Arrhenius关系图，对比了PE在湿法重整与单纯热解过程中的降解速率与活化能。结果表明，水的存在显著降低了反应活化能（从25.17 kJ/mol降至14.08 kJ/mol），并加速了塑料降解与合成气生成，进一步揭示了水在反应中的促进作用。

 

图4：PS与PET的湿法重整动力学研究

图4展示了聚苯乙烯（PS）和聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）在湿法重整与热解过程中的产物分布与动力学行为。PS因苯环结构易生成稠环化合物，而PET则因含氧结构直接生成CO。两者的湿法重整速率均高于热解，说明水对不同类型的塑料均具有促进降解作用。

 

图5：同位素标记与机理验证实验

通过使用D₂O代替H₂O进行同位素标记实验，图5展示了不同反应时间下H₂、HD、D₂的质谱信号变化。结果表明反应初期水分解主导产氢，后期塑料脱氢与水的协同作用增强。脉冲甲烷重整实验进一步证明，通电加热丝表面活性物种对合成气生成至关重要。

 

图6：生命周期评估与光伏驱动系统实景

图6左侧展示了系统在传统电力与光伏供电下的温室气体排放、化石能源消耗和能量回收效率对比，光伏驱动可降低94.5%的碳排放。右侧为实际搭建的光伏-焦耳加热联合实验装置，体现了该技术在实际太阳能驱动下的可行性与环境效益。

 

结论与展望

本研究表明，基于焦耳加热的湿法重整技术为废塑料的资源化利用提供了一条极具前景的新路径。该技术利用普通的FeCrAl加热丝，即可在无需贵金属催化剂的条件下，将包括含食物残渣在内的多种真实废塑料与水高效转化为合成气。其核心优势在于反应快速、能量利用效率高，且能与太阳能光伏系统直接耦合，实现“以废治废”并将太阳能以化学能形式储存。尽管目前该技术已在实验室尺度展现出卓越性能，但其未来走向大规模工业化应用仍面临反应器进一步工程放大、长期运行稳定性验证以及与下游化工产业链无缝衔接等挑战。展望未来，通过优化系统集成、探索与二氧化碳共重整以精准调控合成气比例，该技术有望发展成为构建塑料废物循环经济、助力实现“双碳”目标的关键绿色技术之一。

文献来源：https://doi.org/10.1038/s41467-025-61051-2