【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】最近，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所超強(qiáng)激光科學(xué)與技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)與挪威北極大學(xué)(UiT)合作，利用強(qiáng)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(jìn)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(duì)其物理化學(xué)中鍵行為的深入探索。前期工作中，團(tuán)隊(duì)提出了利用強(qiáng)激光實(shí)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(duì)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(jī)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(rèn)識(shí)。
 

　　在這項(xiàng)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(shì)約在8–10 eV之間。實(shí)驗(yàn)中采用的激光諧波可同時(shí)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(shí)現(xiàn)鍵斷裂并促進(jìn)自由基的形成，而1064 nm和532 nm激光則主要依靠雪崩電離實(shí)現(xiàn)分子鍵的斷裂。這些過程會(huì)生成自由基，自由基在重組過程中會(huì)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(qiáng)激光脈沖成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(jī)制及潛在的產(chǎn)物生成路徑，深入分析了激光場(chǎng)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。
 

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

　　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