圖 1. a) 各諧波下激光誘導(dǎo)的 HDPE 鍵斷裂光譜，b) 等離子體參數(shù)的影響，c) 燒蝕樣品的光學(xué)顯微圖像

最近，中國(guó)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(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)與挪威北極大學(xué)UiT合作，在高密度聚乙烯(HDPE)激光誘導(dǎo)下發(fā)生鍵斷裂方面取得新進(jìn)展。研究成果以“Investigating laser-induced bond breaking in highdensity polyethylene pyrolysis”為題發(fā)表于RSC Advances。

以往大多數(shù)激光與塑料相互作用的研究集中于元素檢測(cè)和傳統(tǒng)應(yīng)用。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)想并開(kāi)展了初步的實(shí)驗(yàn)研究。(Sustainable Materials Technologies 41,e01074 (2024); Adv. Mat. Inter. 2500138 (2025))。

在這項(xiàng)工作中，研究人員采用了三種激光諧波，即1064 nm、532 nm和266 nm，以探究不同激光參數(shù)對(duì)高密度聚乙烯(HDPE)鍵斷裂的影響，并確定引發(fā)化學(xué)反應(yīng)所需的能量閾值。研究結(jié)果顯示，在HDPE中引發(fā)反應(yīng)所需的閾值脈沖能量隨波長(zhǎng)顯著變化：1064 nm時(shí)為5-10 mJ，532 nm時(shí)為3-5 mJ，266 nm時(shí)為1-3 mJ。這種變化歸因于與各波長(zhǎng)相關(guān)的不同光子能量，例如，1064 nm時(shí)約為1.17 eV，266 nm時(shí)約為4.66 eV這直接影響它們斷裂特定分子鍵的能力，如圖1(a)所示。這些結(jié)果證實(shí)，在激光誘導(dǎo)熱解的背景下，每種激光波長(zhǎng)都需要不同的閾值能量來(lái)斷裂HDPE鍵。整體等離子體診斷結(jié)果表明，在鍵斷裂過(guò)程中能量傳遞效率較高，且其他參數(shù)也支持這一觀點(diǎn)，如下圖1(b)所示。燒蝕部位的顯微成像進(jìn)一步證實(shí)，266 nm 輻照下實(shí)現(xiàn)了局部、干凈的燒蝕，而 1064 nm 和 532 nm 激光下觀察到的損傷則更為廣泛且模糊，如下圖1(c)所示。本研究為激光熱解實(shí)現(xiàn)可持續(xù)塑料回收開(kāi)辟了新途徑，有望實(shí)現(xiàn)更清潔、更精確的處理工藝。

本研究工作得到NSAF聯(lián)合基金、上海市科技計(jì)劃、中國(guó)科學(xué)院國(guó)際合作項(xiàng)目以及中國(guó)國(guó)家留學(xué)基金委(CSC)國(guó)際學(xué)生獎(jiǎng)學(xué)金的資助。

審核編輯 黃宇