科學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或縮聚反應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展，高分子材料在各行各業的應用日趨增多，而高分子材料的不可降解性和低回收利用率對環境造成的危害已不可低估，現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境的相容性(即在較短的時間內自然降解或解聚)及產品的生命周期性(產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在可降解性研究，但尋找更加綠色環保、可持續的合成原料一直是科學家們追求的目標。尤其是利用“溫室氣體”CO2合成高分子材料的研究，近年來頻頻出現在世界頂級學術期刊上。

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

據了解，這項研究的核心工作是CO2還原反應的過程，在催化劑的輔助下，通過電流和化學反應將CO2轉化為其他化學物質。在這種反應中，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，銅則能催化產生乙烯。運用Canadian Light Source高級科學家Tom Regier開發的獨特設備，研究人員能夠實時研究整個二氧化碳還原反應過程中銅催化劑的型態、形狀以及化學環境。進而確認乙烯生產最大化的精確條件，并通過調整催化劑來達成最大程度地提高乙烯生產量、同時將甲烷產量降至最低目的。這項研究已經公布在《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作物殘留物等植物材料轉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℃，呈現熔鹽狀態，持續5 h后，熔鹽混合物總量的89%會轉化為2，5-呋喃二甲酸，進而生產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，以淀粉等天然物質為基礎在微生物作用下生成的生物塑料，具有可再生性，因此十分環保。明治大學通過改變藍藻的氫合成酶，成功增產了生物塑料的原料——琥珀酸和乳酸，有望為解決未來的環境、能源問題作出貢獻。研究成果刊登在《Algal Research》雜志上。