从购物袋到交通工具，塑料无处不在。它已渗透到我们生活的方方面面，而这正是主要问题之一。为满足市场需求，全球每年产生的塑料超过 4.6 亿吨，预计到 2050 年这一数字还将翻一番1,2。塑料在设计之初就具有难降解性，也就是说它们很难分解，因此会随时间不断累积。这种累积会造成严重污染，危害环境。不过，尽管塑料十分耐久，阳光或侵蚀等环境因素仍可使其碎裂，形成微塑料和纳米塑料，并在生物体内蓄积。瓶子、瓶盖、购物袋、杯子和吸管等一次性产品造成了大量塑料污染。
传统塑料由石油等化石燃料合成。自 20 世纪初以电木为开端的合成塑料问世以来，化学合成已为我们提供了适用于众多领域的各类塑料。然而，对不可再生资源的过度依赖意味着，到 2050 年，与塑料生产相关的温室气体排放将占碳预算的 15%。因此，联合国环境规划署已将减少与这些化学产品相关的 CO2 排放列为优先事项。
塑料需求不断增长，需要持续生产这些材料以满足市场需求。然而，一次性塑料尤其成问题：其化学合成不仅需要化石燃料，过程本身也非常耗能。回收是处理塑料的理想替代方案，可以减少温室气体排放，并避免氮 (N) 和磷 (P) 等营养物质的释放。营养物质的无序排放可能导致蓝细菌和藻类等光合生物过度繁殖，造成灾难性后果。回收包括塑料单体的机械回收和化学回收，后者针对因含有污染物而不适合机械回收的塑料，采用热解工艺处理。然而，由于工艺本身的特性，材料损失不可避免，因此仍需生产新塑料。3
植物基塑料能否解决我们所有的问题？
塑料是合成聚合物，因此需要通过化学反应将单体结合成目标产物。作为单体前体的核心分子之一是甲醇。这种结构非常简单却用途广泛的化学品可通过多种途径生产。例如，可将工业废气重整生成一氧化碳和二氧化碳，再与氢气结合生成甲醇。另一种途径是水分子的水解，生成 O2 和 H2，氢气再与 CO2 反应生成甲醇。此外，甲醇也可以从生物质中获得。这种储量丰富的原料须经气化或燃烧转化为前体，再与氢气反应。然而，为此大面积使用土地生产生物质，会严重破坏生物圈完整性。此外，植物生长需要氮等特定营养物质，而氮是公认的污染物，在易受径流影响的环境中尤为如此。
尽管植物基塑料具有减少温室气体排放的潜力，但它并不能解决所有问题。根据发表在 Natural Sustainability 上的一项研究，将生物基塑料与现有回收策略相结合，对于帮助缓解气候变化至关重要。然而，这一转变需要在温室气体排放、生物地球化学流动和生物圈完整性之间取得平衡。例如，为生产塑料而大规模种植生物质可能会破坏生态系统，消耗土壤中的必需营养物质，导致氮污染及其他不利的局部环境影响。此外，种植生物质对土地的大量需求可能导致栖息地丧失和生物多样性下降。
助力应对气候变化的化学合成
甲醇是塑料生产中的关键分子，但并不是唯一参与其中的分子。例如，多项研究表明，CO2 可用于共聚过程4,5。这需要两种或两种以上的单体共同生成最终聚合物。这种气体是一种廉价的替代原料，有助于将其从大气中移除并固定在塑料中，从而帮助应对全球变暖。
此外，化学领域的最新进展带来了新的催化技术，提高了将二氧化碳转化为有用化学品的效率。例如，SiO2 负载的 β-Mo2C 纳米颗粒催化剂在将 CO2 转化为一氧化碳方面已显示出良好效果。此外，人们还在探索以 CO2 和绿氢合成燃料级二甲醚 (DME)，作为化石燃料的可行替代品。尽管目前该工艺成本高于传统方法，但它有望减少碳排放，并提供可持续能源。
总之，植物基塑料是传统塑料的一种有前景的替代品，有助于减少我们对化石燃料的依赖，并应对气候变化的某些方面，但它并非灵丹妙药。必须严格控制这类生物塑料的生产，以免加剧其他环境问题。整合先进的回收技术并探索创新的化学合成方法，对于实现更可持续的未来至关重要。
参考文献
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