最近，中科院上海光機所超強激光科學(xué)與技術(shù)全國重點實驗室團隊與挪威北極大學(xué)（UiT）合作，利用強激光分子鍵斷裂技術(shù)，在高密度聚乙烯（HDPE）高效裂解方面取得進展。研究成果以“Laser-Induced Plasma Effects on Bond Breaking in High-Density Polyethylene Pyrolysis”為題發(fā)表于Advanced Materials Interfaces。

傳統(tǒng)上，激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）主要用于HDPE材料的元素分析，限制了對其物理化學(xué)中鍵行為的深入探索。前期工作中，團隊提出了利用強激光實現(xiàn)塑料裂解的方案構(gòu)想[Sustainable Materials Technologies 41,e01074 (2024)]。然而，現(xiàn)有研究對鍵斷裂后行為的理解仍存在局限性，特別是在產(chǎn)物形成機制以及不同激光諧波下等離子體和電離作用方面尚未有系統(tǒng)性認識。

在這項研究中，使用了三種納秒激光諧波：1064 nm（1.17 eV）、532 nm（2.34 eV）和266 nm（4.6 eV），開展了與HDPE相互作用研究。HDPE中斷裂C-C鍵和C-H鍵分別需要3.6 eV和4.2 eV的能量，而HDPE的電離勢約在8–10 eV之間。實驗中采用的激光諧波可同時引發(fā)光熱效應(yīng)和光化學(xué)效應(yīng)。其中，266 nm激光由于其較高的光子能量，能夠通過多光子吸收直接實現(xiàn)鍵斷裂并促進自由基的形成，而1064 nm和532 nm激光則主要依靠雪崩電離實現(xiàn)分子鍵的斷裂。這些過程會生成自由基，自由基在重組過程中會在特定波長位置發(fā)射熒光（例如：C-C鍵在500 nm，C-H鍵在432.3 nm，C-N鍵在386.1 nm以及Hα線在656.3 nm）。其中266 nm表現(xiàn)出更高效的鍵斷裂效率，如圖1（a至c）所示。本研究采用強激光脈沖成功實現(xiàn)了對HDPE分子鍵的高效斷裂，揭示了鍵解離過程中前所未探索的物理機制及潛在的產(chǎn)物生成路徑，深入分析了激光場作用下光子和等離子體的行為特征，為深入理解和優(yōu)化激光高效塑料裂解過程和技術(shù)提供了關(guān)鍵支持。

圖1.不同激光諧波下HDPE分子鍵斷裂的光譜證據(jù)a) 1064 nm, b) 532 nm, c) 266 nm

相關(guān)研究得到NSAF聯(lián)合基金、上海市科技計劃、中國科學(xué)院國際合作項目以及中國國家留學(xué)基金委（CSC）國際學(xué)生獎學(xué)金的資助。

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