来源：环球零碳

撰文 | 小陆

编辑 | Tang

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硅胶，是无处不在的“隐形材料”。从婴儿奶嘴到医疗导管，从汽车密封件到烘焙模具，硅胶（silicone）以其优异的耐高温性、柔韧性和化学稳定性，渗透到现代生活的方方面面。

2022年全球硅胶产量已突破800万吨，市场规模超200亿美元。然而，这一隐形材料背后却隐藏着巨大的环境挑战——传统硅胶生产依赖高能耗的硅冶金和Müller-Rochow工艺，其碳排放占硅胶全生命周期碳足迹的70%以上。

更严峻的是，每年数百万吨废弃硅胶最终被填埋或焚烧，虽不直接释放有毒物质，却浪费了宝贵的硅资源。

与碳基塑料（如PET、聚乙烯）的回收技术快速发展不同，硅胶的化学回收研究几乎处于空白。这源于其独特的无机硅氧（Si-O-Si）骨架结构：传统热解或机械回收难以处理交联的硅胶弹性体，而现有化学方法（如转化为环硅氧烷）无法兼容复杂配方和工业废料。

如何破解硅胶循环利用的困局？一项在2025年4月发表于《Science》的突破性研究给出了答案。

01

从废料到宝藏：镓催化技术颠覆硅胶回收

法国研究团队开发了一种高效、通用的硅胶化学回收方法，能够在温和条件下将各类硅胶废弃物转化为高价值的氯硅烷（chlorosilanes）——硅胶工业的核心原料。这一技术不仅实现了闭环回收，更将硅胶生产的能耗和碳排放分别降低65%和75%，为可持续硅经济提供了关键解决方案。

（1）高效催化体系：百万倍速率提升的“化学剪刀”

传统硅胶回收面临两大难题：

• 热力学壁垒：Si-O键能高（约452      kJ/mol），断裂需高温或强酸；

• 动力学限制：交联结构和复杂配方阻碍反应均一性。

研究团队创新性地采用镓（GaCl₃）催化剂与三氯化硼（BCl₃）的协同体系（图1）。在40°C的温和条件下，BCl₃作为氯源，GaCl₃通过形成超亲电的[BCI₃-GaCl₃]异双金属离子对，使Si-O键的断裂效率提升百万倍。催化剂用量可低至0.02 mol%，却能实现99%的氯硅烷产率，且无需预处理复杂废料。

图1：传统方法（方法1）仅能将线性硅油转化为环硅氧烷，无法处理交联材料；新方法（方法2）通过Ga/B协同催化，全面回收各类硅胶废弃物为氯硅烷。）

（2）广泛适用性：从奶嘴到工业废料的“全能选手”

硅胶回收的最大挑战在于其复杂的配方：交联弹性体通常含有二氧化硅填料、颜料、催化剂（如铂、锡），而消费后废料还可能混杂有机物。研究团队直接使用日常废弃硅胶制品（如乳垫、蛋糕模、硅胶片）和工业废料进行验证（图2）：

• 消费后废料：无需预处理，氯硅烷产率达90%-99%；

• 工业弹性体：包括室温硫化（RTV1/RTV2）和高温硫化（HTV）材料，30分钟内转化率超95%；

• 双重交联HTV废料：即使结构致密，仍可回收80%氯硅烷；

• 混合废料：未分类的3g废料经反应后，83%转化为目标产物。

（3）高价值产物与副产物循环

• 氯硅烷：产物以二甲基二氯硅烷（Me₂SiCl₂）为主，可直接用于硅胶再生产，形成闭环；

• 硼氧化物（B₂O₃）：反应副产物可作为硼硅玻璃原料，或与SiCl₄（硅工业副产物）循环生产BCl₃；

• 填料回收：残留的SiO₂等无机物可分离再利用。

02

环境与经济效益：迈向硅胶“净零制造” 

相比传统硅胶生产，该方法展现惊人优势：

• 节能65%：规避高能耗的硅冶金和Müller-Rochow工艺；

• 减碳75%：每吨回收硅胶减少约3吨CO₂当量排放（注：笔者估算数据。假设传统硅胶生产每吨产生约4吨CO₂（根据硅冶金和Müller-Rochow工艺的行业平均数据），回收后减少75%，即每吨减少3吨CO₂（4吨×75%））；

• 资源节约：减少石英矿开采压力，延长硅资源生命周期。

以全球硅胶产量估算，若全面推广该技术，每年可减少超1200万吨碳排放，相当于240万辆燃油车年排放量（注：笔者估算数据，基于5吨/车推算）。

03

欧盟循环经济启示：废物处理即战略资源

欧盟《循环经济行动计划》明确提出：2030年前实现塑料包装100%可回收，关键材料循环利用率提升50%。硅胶作为高性能材料，其回收技术突破不仅契合ESG目标，更可能重塑产业链——

• 城市矿山：废弃硅胶将成为“城市硅矿”，降低对原生资源的依赖；

• 产业协同：B₂O₃与玻璃工业联动，SiCl₄内部循环，构建零废弃体系；

• 政策驱动：碳关税（CBAM）背景下，低碳硅胶产品将获得竞争优势。

04

潜在挑战：氯硅烷的环境隐忧与化学稳定性之辩

尽管镓催化技术为硅胶回收提供了突破性方案，但产物中的氯硅烷（Si-Cl）仍引发环境担忧。氯元素的引入犹如“双刃剑”：一方面，Si-Cl键的高反应性使其易于加工；另一方面，含氯化合物的生态风险不容忽视。

（1）氯的生态毒性：从PFAS到Si-Cl的警示

含氯化合物历来是环境治理的难点。以PFAS（全氟烷基物质）为例，其C-F键的极端稳定性导致“永久化学物”污染，已在全球水体、土壤甚至人体血液中广泛检出，引发癌症、免疫抑制等健康威胁。尽管C-Cl键的稳定性略低于C-F键，但传统含氯有机物（如DDT、多氯联苯）的持久性污染已迫使各国严格立法。

那么，Si-Cl键是否会重蹈覆辙？

• 短期风险：若氯硅烷意外泄漏，水解产生的HCl可能导致局部水体酸化，对鱼类、两栖动物及水生植物造成急性毒性。

• 长期影响：目前尚无证据表明Si-Cl化合物具有生物累积性，但其降解中间产物（如低聚硅氧烷）的环境行为仍需长期监测。

（2）监管与技术协同：避免“绿色技术”的隐性代价

欧盟《可持续发展化学品战略》已明确要求：新型材料需通过“安全可持续设计”（SSbD）评估，确保其全生命周期安全性。对于氯硅烷回收技术，需重点关注：

• 工艺封闭性：生产过程中严格控制氯硅烷泄漏，配套酸性废气/废水处理系统；

• 副产物管理：盐酸（HCl）可回收用于工业，避免直接排放；

• 替代方案探索：开发低氯/无氯硅胶回收路径（如直接生成硅烷醇）。

05

未来展望：从实验室到工业化的最后一公里

尽管该技术已通过公斤级实验验证，规模化仍需突破：

• 催化剂回收：开发固定床反应器实现GaCl₃循环使用；

• 流程优化：结合蒸馏与连续流工艺，提升能效；

• 标准建立：制定硅胶废物分类与预处理指南。

研究揭示的Ga/B协同机制，也为设计新型超亲电催化剂提供了思路。未来或可拓展至其他难降解聚合物（如含氟材料）的回收，开启“分子级循环经济”的新纪元。

硅胶回收曾被视为“不可能的任务”，如今却被镓催化技术彻底改写。这项研究不仅提供了硅胶可持续化的技术路径，更传递了一个深刻信号：在循环经济时代，废物处理不再是成本负担，而是战略资源争夺战的核心。当欧盟将循环经济上升为国家安全战略，中国作为全球最大硅胶生产国，更需加速布局绿色技术——因为未来产业的竞争力，正藏于今日的废弃物之中。

首图来源：Getty Images

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