固體廢棄物的處理與回收是當今社會可持續(xù)發(fā)展所面臨的重大挑戰(zhàn)。目前全球塑料廢棄物累計達63億噸，其中約90%的廢棄塑料被集中填埋或焚燒，既造成了嚴重的環(huán)境污染，又浪費了大量資源。與此同時，機械加工等物理回收方式往往只能得到附加值不高的混合塑料，而熱裂解、催化分解等化學回收方式也只能將廢棄塑料轉化成化工原料混合物，難以進一步低成本實現(xiàn)提純。聚合物中含有大量的碳元素（聚烯烴高達85.7%），因此使用塑料廢棄物作為碳源，通過碳化反應制備高附加值的碳材料，是一種在理論上行之有效的方法。從可持續(xù)發(fā)展的角度來看，塑料廢棄物碳源具有低毒、價廉和來源廣泛的優(yōu)點，使用不同的碳化方法可將塑料廢棄物轉化為形貌和結構可調控的碳納米材料，來滿足各種應用需求。
唐濤研究員團隊從2005年至今一直致力于聚合物（特別是塑料廢棄物）的可控碳化研究（Prog. Polym. Sci. 2019, 94, 1），提出了“組合催化碳化”（Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 1517; Carbon 2007, 45, 449; Appl. Catal. B 2012, 185, 117; J. Mater. Chem. A 2019, 7, 22912; Sci. China Mater. 2020, 63, 779）、“活性模板碳化”（J. Mater. Chem. A 2015, 3, 341; Waste Manage. 2019, 85, 333; Waste Manage. 2019, 87, 691; Nanotechnology 2020, 31, 035402; Chemosphere 2020, 253, 126755）和“快速碳化”（J. Mater. Chem. A 2013, 1, 5247; J. Mater. Chem. A 2014, 2, 7461; Appl. Catal. B 2014, 289, 152; Appl. Catal. B 2014, 147, 592; Chem. Eng. J. 2019, 360, 250）等三種策略，將聚丙烯、聚乙烯和聚苯乙烯等塑料轉化成中空碳納米球、碳納米纖維、碳納米管、杯疊碳納米管、石墨烯和多孔碳納米薄片，并且探索了他們在吸附、光催化降解和能源存儲等領域中的應用。可控碳化的本質是精確調控聚合物碳化過程中的降解、脫氫、環(huán)化、異構化和交聯(lián)等反應，從而制備微觀形貌、孔結構和表面化學結構可控的碳材料。
圖1 “活性模板碳化”策略合成中空碳球（HCS）/多孔碳薄片（PCF）三維碳納米材料
在最近的工作中（Chemical Communications, 2020, ASAP, doi.org/10.1039/D0CC03236K），該團隊與合作者探索了“活性模板碳化”策略在合成中空碳球（HCS）/多孔碳薄片（PCF）三維碳納米材料中的應用。該方法以“多孔氧化鎂/乙酰丙酮鐵MgO/(Fe(acac)3”為組合碳化模板，并分別以聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）廢棄物以及它們的混合物為碳源，制備了一系列內置Fe3O4納米粒子活性物質的三維中空多孔碳納米材料（HCS/PCF），并將其應用到鋰離子電池負極材料當中（圖1）。根據(jù)聚合物碳源的種類，依次將電極命名為PP:HCS/PCF, PE:HCS/PCF, PS:HCS/PCF, PVC:HCS/PCF.
圖2 HCS/PCF樣品的結構表征
所制備的HCS/PCF樣品比表面積為1245-1382 m2/g，孔體積為4.45-4.68 cm3/g，其中Fe3O4的質量百分比為6.5-11.2%（圖2）。當電流密度為20 mA/g時，PVC:HCS/PCF電極的首次充/放電容為528和1208 mAh/g，對應庫倫效率為43.7%。PP:HCS/PCF電極的倍率性能和長循環(huán)曲線如圖6所示，循環(huán)48次后，PP:HCS/PCF電極的可逆電容穩(wěn)定在604 mAh/g。在0.5 A/g的掃描電流密度下循環(huán)500次后，PP:HCS/PCF電極的可逆電容保持率仍接近100%，并穩(wěn)定在802 mAh/g（圖3）。由此可見，在三維中空多孔碳骨架中引入適量的高電容活性物質，可以使電極材料的儲鋰性能得到大幅提升。
圖3 HCS/PCF電極的倍率性能和長循環(huán)穩(wěn)定性表征
該工作的第一作者是新加坡國立大學的閔嘉康博士，中科院長春應化所的唐濤研究員、波蘭West Pomeranian University of Technology的陳學成教授以及華中科技大學的霍開富教授為該論文的共同通訊作者。
論文鏈接：Jiakang Min, Xin Wen, Tao Tang*, Xuecheng Chen*, Kaifu Huo*, Jiang Gong, Jalal Azadmanjiri, Chaobin He and Ewa Mijowska. A General Approach towards Carbonization of Plastic Wastes into Well-designed 3D Porous Carbon Framework for Superstable Lithium Ion Batteries. Chem. Commun. 2020, doi.org/10.1039/D0CC03236K
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/cc/d0cc03236k#!divAbstract
