塑料因其轻便、低成本和几乎无限的可定制性而广泛应用，但塑料及其废弃物却成为了一个严重的问题。与可无限回收的玻璃不同，塑料的回收过程既复杂又昂贵，因为其分子结构是为特定用途而设计的。
全球每年生产约3.8亿吨塑料，但只有大约9%的塑料垃圾得到了回收，约12%被焚烧，其余则被填埋或遗弃在自然环境中。
匹兹堡大学的化学与石油工程副教授Giannis Mpoumpakis的实验室开展了一项新研究，旨在优化一种名为热解的有前景技术，该技术能够将废塑料化学回收为更有价值的化学品。这项研究的成果最近发表，并登上了《化学理论与计算》杂志的封面。
Mpoumpakis表示：“热解的成本相对较低，能够产生高价值的产品，因此它是一种非常有吸引力的解决方案。”他补充道：“该技术已经在商业规模上得到了开发，目前的主要挑战是找到最佳操作条件，以便在考虑起始和最终化学产品的情况下，减少对反复试验的依赖。”
为了优化热解条件并生产所需的产品，研究人员通常依赖于基于吉布斯自由能最小化的热力学计算。然而，缺乏热化学数据会限制这些计算的准确性。
尽管密度泛函理论(DFT)计算通常用于获取小分子的精确热化学数据，但对于构成废塑料的大分子，尤其是在高温热解条件下，其应用变得具有挑战性且计算成本高昂。
在这项研究中，Mpoumpakis与前博士后Hyun-Guk Kwon（现为首尔国立科技大学教授）共同开发了一个计算框架，以准确计算大分子的温度依赖热化学。
该框架结合了构象搜索、DFT计算、热化学校正和玻尔兹曼统计，所得的热化学数据用于预测十八烷的热分解曲线，十八烷作为聚乙烯的模型化合物。
基于第一性原理的计算分析在预测塑料热解的温度依赖产物分布方面取得了显著进展。这将为未来的化学塑料回收实验提供指导，帮助研究人员优化热解条件，提高废塑料转化为有价值化学品的效率。
Mpoumpakis指出：“塑料的产量预计将持续增加，因此我们必须找到一种理想的方法来回收和再利用塑料，而不对环境造成损害。”他补充道：“这项工作……有助于制定可持续的废物管理战略，减少塑料污染，从而为环境和社会带来潜在的好处。”
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