科學(xué)家從源頭探索高分子材料的綠色化

高分子材料是指單體通過加聚反應(yīng)或縮聚反應(yīng)得到的聚合物而形成的材料，如各種塑料、橡膠等，它也是制造紡織合成纖維的原料。隨著高科技的迅猛發(fā)展，高分子材料在各行各業(yè)的應(yīng)用日趨增多，而高分子材料的不可降解性和低回收利用率對環(huán)境造成的危害已不可低估，現(xiàn)已成為固體廢棄物處理中的一個世界性棘手難題。

綠色高分子材料是一種對環(huán)境友好的高分子材料。“綠色”是指從高分子材料合成的源頭——單體著手，選擇對環(huán)境友好的單體材料及合成工藝，并且考慮合成的高分子材料對環(huán)境的相容性(即在較短的時間內(nèi)自然降解或解聚)及產(chǎn)品的生命周期性(產(chǎn)品使用后的回收利用)。

雖然當前高分子材料的綠色化還主要表現(xiàn)在可降解性研究，但尋找更加綠色環(huán)保、可持續(xù)的合成原料一直是科學(xué)家們追求的目標。尤其是利用“溫室氣體”CO2合成高分子材料的研究，近年來頻頻出現(xiàn)在世界頂級學(xué)術(shù)期刊上。

近日，加拿大多倫多大學(xué)Ted Sargent團隊發(fā)布了一項研究成果，稱其已經(jīng)找到了最有效地將CO2轉(zhuǎn)化為乙烯(ethylene)的條件。而乙烯便能再被用來制造聚乙烯(polyethylene)，也就是全球年產(chǎn)量約8000萬t、現(xiàn)今最普遍使用的塑料。

據(jù)了解，這項研究的核心工作是CO2還原反應(yīng)的過程，在催化劑的輔助下，通過電流和化學(xué)反應(yīng)將CO2轉(zhuǎn)化為其他化學(xué)物質(zhì)。在這種反應(yīng)中，許多金屬都可以做為催化劑，如金、銀和鋅能夠催化生成CO，而錫和鈀可以催化生成甲酸，銅則能催化產(chǎn)生乙烯。運用Canadian Light Source高級科學(xué)家Tom Regier開發(fā)的獨特設(shè)備，研究人員能夠?qū)崟r研究整個二氧化碳還原反應(yīng)過程中銅催化劑的型態(tài)、形狀以及化學(xué)環(huán)境。進而確認乙烯生產(chǎn)最大化的精確條件，并通過調(diào)整催化劑來達成最大程度地提高乙烯生產(chǎn)量、同時將甲烷產(chǎn)量降至最低目的。這項研究已經(jīng)公布在《自然》系列旗下最新冠名期刊《自然-催化》(Nature Catalysis)中。

在此之前，美國斯坦福大學(xué)的一個研究小組也在《自然》雜志登載的一篇論文中，提出了一種可以把二氧化碳以及農(nóng)作物殘留物等植物材料轉(zhuǎn)化為塑料的研究成果。研究人員混合碳酸鹽、CO2和由糠醛衍生獲得的糠酸，將它們加熱至200℃，呈現(xiàn)熔鹽狀態(tài)，持續(xù)5 h后，熔鹽混合物總量的89%會轉(zhuǎn)化為2，5-呋喃二甲酸，進而生產(chǎn)可在一定程度上替代聚對苯二甲酸乙二酯的聚呋喃二甲酸乙二酯(PEF)。而2，5-呋喃二甲酸與對苯二甲酸不同，可以是生物材料的衍生物。

除此之外，以淀粉等天然物質(zhì)為基礎(chǔ)在微生物作用下生成的生物塑料，具有可再生性，因此十分環(huán)保。明治大學(xué)通過改變藍藻的氫合成酶，成功增產(chǎn)了生物塑料的原料——琥珀酸和乳酸，有望為解決未來的環(huán)境、能源問題作出貢獻。研究成果刊登在《Algal Research》雜志上。