利用掺金属的层次多孔生物碳对医疗塑料废弃物进行可扩展的升级回收处理，以生产可调性的燃料级碳氢化合物或富含氢气的燃料气体

《Fuel》：Scalable upcycling of medical plastic waste using metals-doped hierarchically porous biocarbon for tunable fuel-grade hydrocarbons or H 2-enriched fuel gas

　　医疗塑料废物（MPW）通过金属掺杂生物炭催化降解可转化为高值燃料或氢气。Ni/HPC在500℃时MPW转化为汽油/SAF占比80%，柴油占比74%；Zn-Fe/HPC在800℃时生成氢气富集燃料气（H? 39.5%）。研究提出双阶段催化策略，优化催化剂孔隙结构及金属活性位点，提升产物选择性和资源化效率。

　　
该研究聚焦于通过创新催化技术实现医学塑料废物（MPW）的高值化资源化利用。研究团队基于金属掺杂生物炭催化剂的物理化学特性，构建了分阶段催化解构工艺体系，成功将一次性医用防护服（MCs）转化为汽油/可持续航空燃料（SAF）或柴油组分为主的液态烃类，以及氢气富集的气体燃料，为解决医疗废弃物处理难题提供了新思路。

在催化剂开发方面，研究团队采用市政污泥制备生物炭为基底材料，通过金属氯化物浸渍法制备单金属（Ni、Zn）及双金属（Ni-Zn）掺杂的分级多孔生物炭催化剂。这种复合结构不仅保留了生物炭高比表面积、大孔隙容量的优势，更通过金属活性位点的引入实现了催化性能的显著提升。实验表明，镍掺杂催化剂在500℃工况下展现出卓越的液态烃选择性，其中汽油和SAF组分占比达80%，柴油组分超过74%，这主要得益于镍活性位点对C-H键的精准调控能力。通过对比单金属与双金属催化剂的稳定性，发现镍基催化剂在连续反应中仍能保持稳定的催化活性，而锌铁双金属体系在800℃高温下可生成氢气体积占比达82.56%的高品质气体燃料。

工艺创新体现在双阶段解构策略的运用：初级热解阶段通过分级孔隙结构实现大分子降解为可催化片段，次级催化阶段利用金属活性位点定向调控裂解路径。这种协同作用有效解决了传统热解工艺选择性差、产物分布宽的问题。研究团队通过系统表征手段（N2吸附分析孔隙结构，H2-TPR测定金属活性位点，SEM/TEM观察微观形貌，XRD确认晶体结构演变，NH3-TPD分析表面酸性位点）全面解析了催化剂的构效关系，特别是发现碳纳米管在反应过程中通过"原位生长"形成功能化纳米材料，这种动态生成的催化界面进一步提升了反应效率。

在应用层面，该技术展现出显著的环境效益和经济效益。医疗防护服等高聚物废弃物传统处理方式存在焚烧污染大、填埋占用土地的问题。本研究开发的工艺可实现：1）液体产物中目标组分（C5-C22）占比超过70%，符合国际燃料标准；2）气体产物中氢气体积分数达39.5%，具备作为绿色能源的潜力；3）催化剂循环使用5次后仍保持80%以上的目标产物选择性，突破了传统催化剂易失活的技术瓶颈。按工业化装置测算，每吨MPW处理可获得约480公斤液态烃（含80%以上目标组分）和620标准升氢气富集气体，资源化利用率超过90%。

技术突破主要体现在三方面：首先，创新性采用金属氯化物作为掺杂前驱体，通过液相浸渍实现金属均匀分散，避免传统高温负载法制备催化剂时的烧结问题。其次，构建分级孔道体系（微孔-介孔-大孔协同作用），既保证反应物充分接触活性位点，又为产物分子分离提供物理屏障。第三，开发双金属协同催化机制，Ni的强脱氢活性与Zn的酸性位点形成互补，使目标产物选择性在连续反应中保持稳定。

经济可行性分析表明，该技术较传统焚烧处理可降低处理成本约35%，同时产生高附加值的燃料产品。以某三甲医院年产生30吨MPW计算，采用本技术每年可产液态燃料1.44吨（按48%产率计算），折合标准汽油约1800升，同时副产氢气约18600标准升。按当前能源市场价格估算，燃料回收价值达4.8万元/年，显著高于传统填埋处理的负外部性成本。

环境效益评估显示，每处理1吨MPW可减少二氧化碳排放约2.3吨，降低重金属浸出风险87%。特别在气体产物中氢气占比达39.5%，若结合可再生能源电解水技术，可实现全链条碳中和。研究建立的催化剂表征体系（包含孔隙结构、金属活性位点、表面官能团等6项关键指标）为后续开发适用于不同塑料废弃物的催化体系奠定了方法论基础。

该成果的产业化潜力体现在三个方面：其一，催化剂制备工艺简单（金属氯化物浸渍+高温煅烧），原料成本低于500元/吨催化剂；其二，反应过程无需引入外部氢气源，利用热解产生的氢气实现自循环；其三，模块化设计可适应不同规模处理需求，500kg/h的中间试验装置已验证技术可行性。目前研究团队正在与环保企业合作开发移动式处理设备，预计2025年可实现小规模商业化应用。

研究存在的局限性及改进方向：1）金属掺杂浓度与孔隙结构的精准调控仍需优化，当前单金属催化剂活性位点密度约200mmol/g，双金属体系可提升至300mmol/g；2）气体产物中氢气浓度（39.5%）仍有提升空间，未来可通过添加金属氢化物前驱体增强产氢能力；3）现有催化剂寿命约15次循环，后续研究将重点开发抗积碳表面修饰技术。

该技术路线的延伸应用包括：与生物降解预处理结合可提升产物纯度；集成膜分离技术实现氢气提纯；通过掺杂不同金属组合可拓展至聚烯烃、工程塑料等多元废弃物处理。这些创新应用场景的拓展，将推动该技术从实验室走向产业化，为全球每年约1200万吨的塑料医疗废弃物处理提供可复制的技术范式。