2025年11月5日，华东理工大学化学与分子工程学院费林加诺贝尔奖科学家联合研究中心张琦、曲大辉、费林加研究团队在Nature Nanotechnology期刊上发表了题为“Supramolecular Chemical Recycling of Dynamic Polymers”的最新研究成果。
研究团队提出面向动态聚合物的“超分子化学回收”新思路，实现了一系列动力学稳定的聚二硫材料在无催化剂和无溶剂条件下的聚合物-单体可逆转化。该策略通过结合两种动态化学平衡——侧链的氢键自组装堆叠与主链的动态共价聚合，进而实现单体-聚合物平衡的可逆调控。
论文通讯作者是张琦、曲大辉、本·费林加；第一作者是邓媛昕。
现代社会的可持续发展目标要求经典高分子材料从传统的线性工业模式向循环生产模式转变。开发可闭环化学回收的新型高分子材料为实现未来塑料循环经济提供理想的化学解决方案。当前的可闭环化学回收高分子设计思路主要聚焦于分子工程策略，例如通过取代基效应精细调控环状单体分子的环张力，以设计兼具聚合性和解聚性的“近平衡聚合物”（ΔGp ~ 0）。然而，这一策略在本质上需要牺牲聚合性以提升解聚性，在单一封闭体系中难以突破热力学的焓熵补偿原则限制，解聚过程往往需要溶剂或热量作为熵驱动力以实现高效解聚，这使现有高分子的闭环化学回收工艺往往伴随着较高的碳排放（溶剂、分离、加热等）。如何突破现有化学回收技术的局限性、开发低碳、无溶剂、甚至无催化剂的聚合物到单体的回收技术仍然是一个开放式挑战。
在此背景下，团队成员提出面向动态聚合物的“超分子化学回收”新思路。经过一系列聚合条件筛选，研究人员发现用少量的有机酸可以将固态下不可聚合的硫辛酰胺高效转化为聚合物。因此，研究人员利用常用的工业溶剂甲酸作为超分子调节剂和催化剂，得到聚硫辛酰胺薄膜。该材料进一步在120摄氏度下退火2小时，观测到纳米结晶域进一步组装与生长，形成高度有序的球晶状半结晶聚合物网络。这类像尼龙一样的氢键交联半结晶聚二硫材料具有优异的力学强度和抗蠕变行为，表明该结晶型动态聚合物在其使用温度区间内展现优异的稳定性，能够达到现代高分子材料的服役周期。
图1：传统塑料与可化学回收聚合物能量势垒的概念示意图。
图2：聚合物的结构表征。
图3：结晶聚合物的结构分析及其机械性能测试。
通过该方法得到的聚合物材料处于热力学介稳态，因此进一步在120度条件下退火48小时，半结晶聚合物网络在热力学驱动力下继续发生共价重构，在无溶剂、无催化剂的条件下从聚合物自发转换为结晶单体。研究人员通过核磁和X射线衍射追踪了这一动态过程，发现最终能够以定量的收率回收得到纯度90%以上的单体晶体。这一聚合物到单体的自发回收过程主要由自组装过程的氢键（焓）驱动，因此不同于以往的熵驱动回收需要输入大量的热量或溶剂，本体系的回收过程是自发的放热过程，且利用二硫键的本征动态性避免了催化剂的使用及其分离。研究人员进一步利用生命周期评估方法定量计算了聚合物到单体回收工艺的碳足迹，结果表明无溶剂的超分子化学回收工艺每回收1 kg聚合物只需要排放0.36 kg二氧化碳，相比于传统的溶剂回收工艺，节省了99%的碳排放，展现了低碳化学回收的优势。
图4：固态下聚合物向单体的回收转化。
（来源：科学网）
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41565-025-02041-9
