近日，自动化与电气工程学院姚连升博士在废塑料高效转化为氢能与高附加值碳材料的微观机理研究方面取得重要进展。相关成果以“Microwave-assisted Fe-based catalytic conversion of plastic waste to hydrogen: ReaxFF-MD and DFT insights”为题，发表在国际知名期刊《Chemical Engineering Journal》（CEJ）上。《Chemical Engineering Journal》是Elsevier集团出版的化工领域高水平期刊，2025年影响因子为13.2，为中科院SCI一区TOP期刊。

        该研究针对聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）和聚苯乙烯（PS）等典型废塑料，构建了“微波-铁基催化-多尺度模拟”一体化研究体系，结合微波辅助Fe/FeAl₂O₄催化实验、密度泛函理论（DFT）计算及反应分子动力学（ReaxFF MD）模拟，系统揭示了塑料裂解制氢的反应路径与选择性调控机制。实验结果表明，在微波-催化协同作用下，PE的氢气产率可达47.01 mmol/g，显著高于传统热裂解水平，同时保留碳骨架生成高品质碳纳米管（CNTs）。

        DFT计算揭示了C₂H₄、C₃H₆和C₈H₈在Fe(110)表面的吸附与电子转移规律，阐明了C–H键在金属表面发生强极化、降低断裂能垒的机理。ReaxFF模拟进一步解析了不同塑料中C–H、C–C键的优先断裂顺序及活化能差异，验证了低温阶段优先活化C–H键、实现高选择性制氢的可行性。研究成果不仅为废塑料的高效资源化利用提供了理论依据与工艺优化思路，也为氢能与高值碳材料的协同制备开辟了新路径。

图1 微波-铁基催化-多尺度模拟

        该工作得到了国家自然科学基金（52276203）和山东省自然科学基金（ZR2023MF115、ZR2020KC008）的资助。

        原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.166127。