丰产金属催化的聚烯烃氧化降解研究进展

doi:10.6023/cjoc202603020

摘要/Abstract

聚烯烃的催化氧化降解是实现塑料资源循环利用的重要途径之一。近年来,地球丰度金属催化剂在该领域展现出显著优势,能够实现聚烯烃的高效、高选择性氧化转化,为发展绿色、经济、可规模化的塑料化学回收新工艺提供了可能。本综述系统总结了基于地球丰度金属的聚烯烃催化氧化降解研究进展,并着重探讨了其在实际塑料废弃物转化中的应用案例。最后,对当前该领域面临的挑战及未来发展方向进行了展望。

关键词: 丰产金属催化, 聚烯烃, 塑料降解, 氧化反应, 碳碳键活化

Catalytic oxidative degradation of polyolefins represents one of the important pathways for achieving resource recycling of plastics. In recent years, earth-abundant metal catalysts have demonstrated significant advantages in this field, enabling efficient and highly selective oxidative transformation of polyolefins. This offers promising potential for developing green, economical, and scalable novel chemical recycling processes for plastics. This review systematically summarizes recent advances in the catalytic oxidative degradation of polyolefins using earth-abundant metals, with a focus on their application examples in the conversion of actual plastic waste. Furthermore, the current challenges and future research directions in this field are outlined and discussed.

Key words: Earth-abundant metals catalysis, Polyolefins, Plastic degradation, Oxidation reaction, Carbon-carbon bond acti-vation

引用此文

严睿杰, 俞亦涵, 石宏伟, 焦宁. 丰产金属催化的聚烯烃氧化降解研究进展[J]. 有机化学, doi: 10.6023/cjoc202603020.

Ruijie Yan, Yihan Yu, Hongwei Shi, Ning Jiao. Recent advances in earth-abundant metals-catalyzed oxi-dative degradation of polyolefins[J]. Chinese Journal of Organic Chemistry, doi: 10.6023/cjoc202603020.

导出引用 EndNote|Reference Manager|ProCite|BibTeX|RefWorks

分享此文

参考文献

[1] Dokl M.; Copot A.; Krajnc D.; Fan Y. V.; Vujanović A.; Aviso K. B.; Tan R. R.; Kravanja Z.; Čuček L.Sustainable Prod. Consumption 2024, 51, 498.
[2] Geyer R.; Jambeck J. R.; Law K. L. Sci. Adv. 2017, 3, e1700782.
[3] Sun J.; Dong J.; Gao L.; Zhao Y. Q.; Moon H.; Scott S. L. Chem. Rev. 2024, 124, 9457.
[4] Martey S.; Addison B.; Wilson N.; Tan B.; Yu J.; Dor gan, J. R.; Sobkowicz, M. J. ChemSusChem 2021, 14, 4280.
[5] Lange J. P.; Kersten S. R.A.; De Meester, S.; van Eijk, M. C. P.; Ragaert, K. ChemSusChem 2024, 17, e202301320.
[6] Ragaert K.; Delva L.; Geem K. V.Waste Manage. 2017, 69, 24.
[7] Chamas A.; Moon H.; Zheng J.; Qiu Y.; Tabassum T.; Jang J. H.; Abu-Omar, M.; Scott, S. L.; Suh, S. ACS Sus-tainable Chem. Eng. 2020, 8, 3494.
[8] Dai L.; Zhou N.; Lv Y.; Cheng Y.; Wang Y.; Liu Y.; Cobb K.; Chen P.; Lei H.; Ruan R. Prog.Energy Combust. Sci. 2022, 93, 101021.
[9] For selected articles on plastic waste degraded into mono-mers, see:(a) Yuan, Z.; Yang, J.; Manos, G.; Tang, J. CCS Chem. 2023, 5, 281.(b) Tang, H.; Hu, Y.; Li, G.; Wang, A.; Xu, G.; Yu, C.; Wang, X.; Zhang, T.; Li, N. Green Chem. 2019, 21, 3789.(c) Zhou, X.; Liu, Q.; Xu, G.; Yang, R.; Sun, H.; Wang, Q. Chin. Chem. Lett. 2023, 34, 108158.(d) Tang, H.; Li, N.; Li, G.; Wang, A.; Cong, Y.; Xu, G.; Wang, X.; Zhang, T. Green Chem. 2019, 21, 2709.(e) Wang, L.; Han, F.; Li, G.; Zheng, M.; Wang, A.; Wang, X.; Zhang, T.; Cong, Y.; Li, N. Green Chem. 2021, 23, 912.(f) Lu, H.; Diaz, D. J.; Czarnecki, N. J.; Zhu, C.; Kim, W.; Shroff, R.; Acosta, D. J.; Alexander, B. R.; Cole, H. O.; Zhang, Y.; Lynd, N. A.; Ellington, A. D.; Alper, H. S. Nature 2022, 604, 662.(g) Liang, X.; Qian, H. Chin. J. Chem. 2025, 43, 349.(h) Xiong, Y.; Lu, Z.; Xia, L.; Gao, F.; Chen, G.; Nie, X.; Hong, C.; Zhang, Z.; You, Y. CCS Chem. 2025, 7, 2161.(i) Meng, J.; Zhou, Y.; Li, D.; Jiang, X. Sci. Bull. 2023, 68, 1522.(j) Huang, R.; Zhao, Y.; Li, C.; Li, D.; Jiang, X. Nat. Sustain. 2025, 8, 818.
[10] For selected articles on plastic waste degraded into pyrolsis oil, see:(a) Kanbur, U.; Zang, G. Y.; Paterson, A. L.; Chatterjee, P.; Hackler, R. A.; Delferro, M.; Slowing, II; Perras, F. A.; Sun, P. P.; Sadow, A. D. Chem 2021, 7, 1347.(b)Lopez, G.; Artetxe, M.; Amutio, M.; Bilbao, J.; Olazar, M. Renew. Susta in. Energy Rev. 2017, 73, 346.(c) Jia, X. Q.; Qin, C.; Friedberger, T.; Guan, Z. B.; Huang, Z. Sci. Adv. 2016, 2, e1501591.(d) Ellis, L. D.; Orski, S.; Kenlaw, G. A.; Norman, A. G.; Beers, K. L.; Román-Leshkov, Y.; Beckham, G. T. ACS Sustainable Chem. Eng. 2021, 9, 623.(e) Luo, H.; Li, L.; Sun, T.; Wei, B.; Jiang, T.; Zhan, J.; Cong, R.; Zhou, H.; Wei, X.; Xia, L.; Liao, B.; Zhang, S.; Wang, H.; Sun, Y. CCS Chem. 2025, 7, 3185.(f) Cen, Z. Y.; Han, X.; Lin, L. F.; Yang, S. H.; Han, W. Y.; Wen, W. L.; Yuan, W. L.; Dong, M. H.; Ma, Z. Y.; Li, F.; Ke, Y. B.; Dong, J. C.; Zhang, J.; Liu, S. H.; Li, J. L.; Li, Q.; Wu, N. N.; Xiang, J. F.; Wu, H.; Cai, L. L.; Hou, Y. B.; Cheng, Y. Q.; Daemen, L. L.; Ramirez-Cuesta, A. J.; Ferrer, P.; Grinter, D. C.; Held, G.; Liu, Y. M.; Han, B. X. Nat. Chem. 2024, 16, 871.(g) Chu, M.; Tu, W.; Zhuang, Z.; Xu, P.; Weng, X.; Wang, J.; Yan, T.; Zhang, L.; Cao, M.; Zhang, L.; Lin, H.; Fan, X.; Zhang, Q.; Wang, D.; Chen, J. CCS Chem. 2025, 7, 2451
[11] For selected articles on plastic waste degraded into syngsas, see:(a) Bi, T.; Chen, Y.; Lin, L.; Han, X.; Pan, Y.; Liu, C.; Cen, Z.; Luo, C.; Wen, W.; Zulfiqar, H.; Zheng, X.; Manuel, P.; Li, Q.; Wu, N.; Xiang, J.; Yang, S.; Han, B. Nat. Chem. Eng. 2025, 2, 650. (b) Conk, R. J.; Stahler, J. F.; Shi, J. X.; Yang, J.; Lefton, N. G.; Brunn, J. N.; Bell, A. T.; Hartwig, J. F. Science 2024, 385, 1322.(c) Wang, N. M.; Strong, G.; DaSilva, V.; Gao, L. J.; Huacu-ja, R.; Konstantinov, I. A.; Rosen, M. S.; Nett, A. J.; Ewart, S.; Geyer, R.; Scott, S. L.; Guironnet, D. J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 18526.
[12] For selected articles on plastic waste degraded into other chemical feedstocks, see:(a) Xiang, Y.; Zhang, J.; Huang, F.; Xiao, N.; Fan, Y.; Zhang, J.; Zheng, H.; Chen, J.; Zhang, F. Chin. J. Catal. 2024, 59, 149. (b) Chen, W. J.; Jiao, Y. C.; Liu, Y.; Wang, M.; Zhang, F.; Ma, D. CCS Chem. 2024, 6, 1422.(c) Sullivan, K. P.; Werner, A. Z.; Ramirez, K. J.; Ellis, L. D.; Bussard, J. R.; Black, B. A.; Brandner, D. G.; Bratti, F.; Buss, B. L.; Dong, X.; Haugen, S. J.; Ingraham, M. A.; Kon-ev, M. O.; Michener, W. E.; Miscall, J.; Pardo, I.; Wood-worth, S. P.; Guss, A. M.; Román-Leshkov, Y.; Stahl, S. S.; Beckham, G. T. Science 2022, 378, 207.(d) Wang, S.; Wang, L.; Xue, T.; Zhang, G.; Ke, C.; Zeng, R. Chin. J. Chem. 2024, 42, 2431.(e) Liu Y. Y.; Ma B.; Tian J. Q.; Zhao C. Sci. Adv.2024, 10. eadn0252.(f) Jiao, Y.; Wang, M.; Ma, D. Chin. J. Chem. 2023, 41, 2071.(g) Munyaneza, N. E.; Posada, C.; Xu, Z.; Popiolek, V. D.; Paddock, G.; McKee, C.; Liu, G. L. Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202307042.(h) Ding, C.; Feng, A.; Feng, K.; Yang, B.; Fang, S.; Zhang, D.; Ma, C. Chin. J. Chem. 2025, 43, 2935.
[13] For selected reviews on polyolefins recycling, see:(a) Coates, G. W.; Getzler, Y. D. Y. L. Nat. Rev. Mater. 2020, 5, 501.(b) Ellis, L. D.; Rorrer, N. A.; Sullivan, K. P.; Otto, M.; McGeehan, J. E.; Román-Leshkov, Y.; Wierckx, N.; Beckham, G. T. Nat. Catal. 2021, 4, 539.(c) Rahimi, A.; García, J. M. Nat. Rev. Chem. 2017, 1, 0046.(d) Al-Salem, S. M.; Lettieri, P.; Baeyens, J. Waste Manage. 2009, 29, 2625.(e) Qin, B.; Zhang, X. CCS Chem. 2024, 6, 297.(f) Chu, M.; Liu, Y.; Lou, X.; Zhang, Q.; Chen, J. ACS Catal. 2022, 12, 4659.(g) Zhang, R., Deng, G., Jiang, Z.; Fan, Y.; Guo, Y.; Dong, Z.; Chen, W.; Peng, B.; Zhang, F. Sci. China Chem. 2025, 68, 2927.(h) García, J. M. Chem 2016, 1, 813.(i) Gan, L.; Dong, Z.; Xu, H.; Lv, H.; Liu, G.; Zhang, F.; Huang, Z. CCS Chem. 2024, 6, 313.(j) Zou L.; Xu R.; Wang H.; Wang Z.; Sun Y.; Li M. Natl. Sci. Rev.2023, 10, nwad207.(k) Waeyenberg, J. V.; Vikanova, K.; Smeyers, B.; Vaer-enbergh, T. V.; Aerts, M.; Zhang, Z.; Sivanandan, S.; Leuven, H. V.; Wu, X.; Sels, B. ACS Sustainable Chem. Eng. 2024, 12, 11074.(l) Liu, Q.; Shang, J.; Liu, Z. Chin. J. Catal. 2025, 71, 54.(m) Hu, H.; Chen, Y.; You, F.; Yao, J.; Yang, H.; Jiang, X.; Xia, B. Y. Chin. J. Chem. 2023, 41, 469.
[14] Wang X.; Gao Y.; Tang Y. Prog. Polym. Sci. 2023, 143, 101713.
[15] Chu M.; Tu W.; Yang S.; Zhang. C.; Li, Q.; Zhang, Q.; Chen, J. SusMat. 2022, 2, 161.
[16] Schade A.; Melzer M.; Zimmermann S.; Schwarz T.; Stoewe K. ACS Sustainable Chem.Eng. 2024, 12, 12270.
[17] Zhao H.; Ye Y.; Zhang Y.; Yang L.; Du W.; Wang S.; Hou Z. Chem.Commun. 2024, 60, 13832.
[18] For selected articles on oxidative degradation of polyolefins, see:(a) Chen, L.; Malollari, K. G.; Uliana, A.; Sanchez, D.; Mes-sersmith, P. B.; Hartwig, J. F. Chem 2021, 7, 137.(b) Cao, R.; Zhang, M. Q.; Hu, C.; Xiao, D.; Wang, M.; Ma, D. Nat. Commun. 2022, 13, 4809.(c) Huang, Z.; Shanmugam, M.; Liu, Z.; Brookfield, A.; Bennett, E. L.; Guan, R.; Vega Herrera, D. E.; Lopez-Sanchez, J. A.; Slater, A. G.; McInnes, E. J. L.; Qi, X.; Xiao, J. J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 6532.
[19] For selected reviews on oxidative degradation of polyolefins, see:(a) Wimberger, L.; Ng, G.; Boyer, C. Nat. Commun. 2024, 15, 2510.(b) Zhang, S.; Li, M.; Zuo, Z.; Niu, Z. Green Chem. 2023, 25, 6949.(c) Oh, S.; Stache, E. E. Chem. Soc. Rev. 2024, 53, 7309.(d) Guoli Chen, G.; Lei Huang, L. Chin. Sci. Bull. 2025, 70, 2849.
[20] For selected recent views on C-C activation, see:(a) Chen, F.; Wang, T.; Jiao, N. Chem. Rev. 2014, 114, 8613.(b) Souillart, L.; Cramer, N. Chem. Rev. 2015, 115, 9410.(c) Nairoukh, Z.; Cormier, M.; Marek, I. Nat. Rev. Chem. 2017, 1, 0046.(d) Song, F.; Gou, T.; Wang, B.; Shi, Z. Chem. Soc. Rev. 2018, 47, 7078(e) Sivaguru, P.; Wang, Z.; Zanoni, G.; Bi, X. Chem. Soc. Rev. 2019, 48, 2615.(f) Xia, Y.; Dong, G. Nat. Rev. Chem. 2020, 4, 600.(g) Lutz, M. D. R.; Morandi, B. Chem. Rev. 2021, 121, 300.(h) Yu, X. Y.; Chen, J. R.; Xiao, W. J. Chem. Rev. 2021, 121, 506.(i) Lu, H.; Yu, T.; Xu, P.; Wei, H. Chem. Rev. 2021, 121, 365.(j) Shatskiy, A.; Stepanova, E. V.; Karkas, M. D. Nat. Rev. Chem. 2022, 6, 782.(k) Liang, Y. F.; Bilal, M.; Tang, L. Y.; Wang, T. Z.; Guan, Y. Q.; Cheng, Z.; Zhu, M.; Wei, J.; Jiao, N. Chem. Rev. 2023, 123, 12313.(l) Song, F.; Wang, B.; Shi, Z. Acc. Chem. Res. 2023, 56, 2867.
[21] Zhao B.; Tan H.; Yang J.; Zhang X.; Yu Z.; Sun H.; Wei J.; Zhao X.; Zhang Y.; Chen L.; Yang D.; Deng J.; Fu Y.; Huang Z.; Jiao N. Innovation 2024, 5, 100586.
[22] Zhao B.; Hu Z.; Sun Y.; Hajiayi R.; Wang T.; Jiao N. J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 28605.
[23] Sun C. Y.; Guo Y.; Liu X. H.; Wang Q. Catal.Sci. Tech-nol. 2025, 15, 1905.
[24] Zeng G.; Su Y.; Jiang J.; Huang Z. J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 2737.
[25] Partenheimer, W. Catal. Today 2003, 81, 117.
[26] Qin C.; Shen T.; Tang C.; Jiao N. Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 6971.
[27] Elmanovich I. V.; Stakhanov A. I.; Zefirov V. V.; Pavlov A. A.; Lokshin B. V.; Gallyamov M. O.J. Supercrit. Fluids 2020, 158, 104744.
[28] Zhang G.; Zhang Z.; Zeng R. Chin.J. Chem. 2021, 39, 3225.
[29] Wang M.; Wen J.; Huang Y.; Hu P. ChemSusChem 2021, 14, 5049.
[30] Urgoitia G.; Herrero M. T.; SanMartin, R. ChemSusChem 2022, 15, e202200940.
[31] Oh S.; Stache E. E.J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 5745.
[32] Li C. F.; Kong X. Y.; Lyu M.; Tay X. T.; Dokic M.; Chin K. F.; Yang C. T.; Lee E. K.X.; Zhang, J. F.; Tham, C. Y.; Chan, W. X.; Lee, W. J.; Lim, T. T.; Goto, A.; Sullivan, M. B.; Soo, H. S. Chem 2023, 9, 2683.
[33] Peng Z.; Chen R.; Li H. ACS Sustainable Chem.Eng. 2023, 11, 10688.
[34] Rabot C.; Chen Y. H.; Lin S. Y.; Miller B.; Chiang Y. M.; Oakley C. E.; Oakley B. R.; Wang C. C.C.; Williams, T. J. J. Am. Chem. Soc. 2023, 145, 5222.
[35] Rabot C.; Chen Y. H.; Bijlani S.; Chiang Y. M.; Oakley C. E.; Oakley B. R.; Williams T. J.; Wang C. C.C. Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62, e202214609.
[36] Hourtoule M.; Trienes S.; Ackermann L. Angew. Chem. Int. Ed. 2024, 63, e202412689.
[37] Hourtoule M.; Skumial P.; Trienes S.; Gulen H. C.; Zhang J.; Ackermann L. Angew. Chem. Int. Ed. 2026, e19237.
[38] Giakoumakis N. S.; Marquez C.; de Oliveira-Silva, R.; Sakellariou, D.; De Vos, D. E. J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 34753.
[39] Hou X. Y.; Yuan F.; Liu X.; Wang K.; Zhu Y.; Cheng P.; Jia R.; Shi L.; Huang L. Chem. Eng. J. 2025, 504. 158868.
[40] Xu E.; Liu T.; Xie F.; He J.; Zhang Y. Chem.Sci. 2025, 16, 2004.
[41] Liu X.; Wang X.; Chu M.; Zhang W.; Fu J.; Li S.; Wang L.; Chen J.; Zhang Q.; Cao M. J. Am. Chem. Soc. 2025, 147, 5228.
[42] Sun C. Y.; Guo Y.; Liu X. H.; Wang Y. Q. Catal. Sci. Technol. 2024, 14, 6584.