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_風聞

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）

當我們拎着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”會發生什麼？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，隨風萬里？

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4.5億噸[1]；其中約一半是一次性塑料製品，並且有將近2億噸在使用極短時間後，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。

我們發明了塑料，也正在被塑料反噬。

既要永恆，又可揮之而去

人類對塑料製品始終有着一種不切實際的期待：在購買使用過程中，我們希望它足夠耐用，耐用到可以作為傳家寶從商周時代用到上週依然完美如新；而在丟棄之後，我們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，如今我們周圍的聚乙烯（PE）的保鮮膜、聚丙烯（PP）的塑料杯、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）的有機玻璃、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚四氟乙烯（PTFE）的不粘鍋和聚氯乙烯（PVC）的燈牌，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，成為環境污染物。

用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，最終悄然迴歸自然。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。用這種材質的吸管雖然口感欠佳，並且多吸幾口就會裂開，但它切切實實地比原有聚丙烯（PP）吸管更加環保。

一些科學家正在改造木頭，不是簡單的“用木頭替代塑料”，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]。

傳統塑料怎麼辦？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]。這意味着，我們未來用的包裝袋、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。科學家通過構建特殊的五元環結構（比如戊內酯），讓這些聚合物在一定條件下可以分解為原始單體，再重新聚合[6]。這樣，一個礦泉水瓶可以變回“原材料”，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，重新回到我們手上。

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”

儘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，面對混合、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“面向產物”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”塑料

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APET → 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”。

圖4 真實塑料垃圾被逐漸轉化為有價值的小分子化合物。

這項研究不僅提供了一種理論方法，更是一個可操作的流程框架，這意味着——即使面對最複雜的塑料廢物，我們依然可以科學、有序、分子層級地加以處理，而不是簡單地焚燒、填埋或忽略。

塑料的命運不止於一次使用，它也可以擁有“第二次生命”——甚至擁有更有價值的一生。

參考文獻

[1] https://ourworldindata.org/plastic-pollution

[2] Yang, C., Wu, Q., Xie, W. et al. Copper-coordinated cellulose ion conductors for solid-state batteries. Nature (2021).

[3] Xiao et al., Lightweight, strong, moldable wood via cell wallengineering as a sustainable structural material. Science 374, 465–471 (2021).

[4] Xia, Q., Chen, C., Yao, Y. et al. A strong, biodegradable and recyclable lignocellulosic bioplastic. Nat Sustain (2021).

[5] Baur M, Lin F, Morgen T O, et al. Polyethylene materials with in-chain ketones from nonalternating catalytic copolymerization[J]. Science, 2021, 374(6567): 604-607.

[6] Li X L, Clarke R W, Jiang J Y, et al. A circular polyester platform based on simple gem-disubstituted valerolactones[J]. Nature Chemistry, 2023, 15(2): 278-285.

[7] Lu H, Diaz D J, Czarnecki N J, et al. Machine learning-aided engineering of hydrolases for PET depolymerization[J]. Nature, 2022, 604(7907): 662-667.

[8] Sullivan K P, Werner A Z, Ramirez K J, et al. Mixed plastics waste valorization through tandem chemical oxidation and biological funneling[J]. Science, 2022, 378(6616): 207-211.

[9] Zhang M Q, Zhou Y, Cao R, et al. In-line NMR guided orthogonal transformation of real-life plastics[J]. Nature, 2025: 1-9.

特 別 提 示

1. 進入『返樸』微信公眾號底部菜單“精品專欄“，可查閲不同主題系列科普文章。

2. 『返樸』提供按月檢索文章功能。關注公眾號，回覆四位數組成的年份+月份，如“1903”，可獲取2019年3月的文章索引，以此類推。

版權説明：歡迎個人轉發，任何形式的媒體或機構未經授權，不得轉載和摘編。轉載授權請在「返樸」微信公眾號內聯繫後台。