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仪表网 研发快讯】最近，中国科学院上海光学精密机械研究所超强激光科学与技术全国重点实验室团队与挪威北极大学(UiT)合作，利用强激光分子键断裂技术，在高密度聚乙烯(HDPE)高效裂解方面取得进展。研究成果以“Laser-Induced Plasma Effects on Bond Breaking in High-Density Polyethylene Pyrolysis”为题发表于Advanced Materials Interfaces。
传统上，激光诱导击穿光谱(LIBS)主要用于HDPE材料的元素分析，限制了对其物理化学中键行为的深入探索。前期工作中，团队提出了利用强激光实现塑料裂解的方案构想[Sustainable Materials Technologies 41,e01074 (2024)]。然而，现有研究对键断裂后行为的理解仍存在局限性，特别是在产物形成机制以及不同激光谐波下等离子体和电离作用方面尚未有系统性认识。
在这项研究中，使用了三种纳秒激光谐波：1064 nm(1.17 eV)、532 nm(2.34 eV)和266 nm(4.6 eV)，开展了与HDPE相互作用研究。HDPE中断裂C-C键和C-H键分别需要3.6 eV和4.2 eV的能量，而HDPE的电离势约在8–10 eV之间。实验中采用的激光谐波可同时引发光热效应和光化学效应。其中，266 nm激光由于其较高的光子能量，能够通过多光子吸收直接实现键断裂并促进自由基的形成，而1064 nm和532 nm激光则主要依靠雪崩电离实现分子键的断裂。这些过程会生成自由基，自由基在重组过程中会在特定波长位置发射荧光(例如：C-C键在500 nm，C-H键在432.3 nm，C-N键在386.1 nm以及Hα线在656.3 nm)。其中266 nm表现出更高效的键断裂效率，如图1(a至c)所示。本研究采用强激光脉冲成功实现了对HDPE分子键的高效断裂，揭示了键解离过程中前所未探索的物理机制及潜在的产物生成路径，深入分析了激光场作用下光子和等离子体的行为特征，为深入理解和优化激光高效塑料裂解过程和技术提供了关键支持。
相关研究得到NSAF联合基金、上海市科技计划、中国科学院国际合作项目以及中国国家留学基金委(CSC)国际学生奖学金的资助。
图1. 不同激光谐波下HDPE分子键断裂的光谱证据a) 1064 nm, b) 532 nm, c) 266 nm
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