为循环经济寻找新技术( 二 )

2.重新思考塑料
据统计，目前全球每年生产大约4亿吨塑料，预计到2050年将达到18亿吨。仅美国2018年就生产了大约3500万吨塑料，而其回收利用率不足9% ，
即使部分废弃塑料得到了回收利用，但最终加工出的产品往往比原先产品的品质和价值要低。为此，阿贡实验室的研究人员正与其他机构合作，通过多种途径来提高塑料的可循环性。
一是研发新催化剂降低塑料降解的势能和门槛。聚乙烯（塑料袋的主要成分）等之所以难以降解，是因为碳-碳键非常牢固，要打破它通常需要耗费大量的能量。美国阿贡实验室与埃姆斯实验室、西北大学、康奈尔大学、南卡罗来纳大学以及加州大学圣巴巴拉分校的科学家合作，设计出了一种新型催化剂——将只有两个纳米大小的金属铂粒子置于100纳米大小的钙钛矿（perovskite ，在催化反应所要求的温度和压力下非常稳定）之上，工艺采用了由阿贡和西北大学共同开发的“原子层沉积法”（atomiclayerdepositionapproach）。结果表明，在无需很高的温度和压力下，运用此催化剂就可以将纯聚乙烯或商用塑料袋转化为高质量液态产品。
二是从源头开始设计可重复使用的塑料材料。塑料在最初被发明时并没有考虑它的可降解性。按照芝加哥大学分子工程学院教授、同时供职于阿贡实验室的斯图瓦特·罗文（StuartRowan）的说法， “人们之前从不考虑塑料用完后怎么办，因为人们总是可以生产更多” 。从工业角度看，如果在设计时就考虑到它未来的可降解性，可能会起到事半功倍的效果，而以植物为原料制造塑料是努力方向之一。目前，罗文及其团队就正在探索利用植物纤维素制造生物塑料。构成植物细胞壁的纤维素是一种天然的聚合物，但目前已上市的一些植物纤维素塑料在强度和耐久性上还不能与传统塑料相比。为解决这一问题，罗文团队正在从一种叫“奇岗”（Miscanthusgiganteus）的多年生草本植物中提取纤维素纳米材料，他们开发的提取工艺已达工业级。目前，该团队正在对工艺进行改进，以提高生物塑料对温度的耐受性和阻隔性，以便更好地用于包装等行业。
对于塑料废弃物的另一大来源——消费类电子产品（如智能手机、笔记本电脑、电视机、视频游戏控制台以及所有配件等），罗文和芝加哥大学分子工程学院教授以及阿贡实验室的水资源专家陈俊宏（JunhongChen ，音译），也正在探索如何从源头上设计这类电子产品。
2020年，罗文、陈俊宏和来自芝加哥大学、西北大学、伊利诺伊大学厄巴纳——香槟分校（UIUC）、伊利诺伊大学芝加哥分校的多位研究同事从美国国家科学基金会（NSF）申请到了一笔915万美元的研究基金，力争在5年内开发出一套能生产生物可降解电子设备的3D打印系统。该系统同样使用从植物中提取的纤维素纳米材料作为“墨水” ，并且可根据电子设备的不同用途被设计成具有不同的金属、超导或绝缘特性。目前，罗文正与UIUC的植物学家探讨不同的生长条件如何影响纤维素纳米材料的产量和类型以及其功能特性。据悉，该团队已经利用植物材料3D打印出简单的电子传感器，反过来用以监测植物生长的温度、光照、湿度等，这样的反馈回路有助于进一步改善整个工艺，最终制造出更先进复杂的设备和电池。陈俊宏说，希望这样的系统和平台能够鼓励更多的生物制造，从而最大限度地减少对环境的负面影响。罗文则说，他毫不怀疑这项技术的潜力，随着更具功能性且可持续的材料被发掘出来，避免塑料废弃物大量产生和建设循环经济前景可期。