固體廢棄物的處理與回收是當(dāng)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(dá)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(yán)重的環(huán)境污染，又浪費(fèi)了大量資源。與此同時，機(jī)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(xué)回收方式也只能將廢棄塑料轉(zhuǎn)化成化工原料混合物，難以進(jìn)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(dá)85.7%），因此使用塑料廢棄物作為碳源，通過碳化反應(yīng)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(diǎn)，使用不同的碳化方法可將塑料廢棄物轉(zhuǎn)化為形貌和結(jié)構(gòu)可調(diào)控的碳納米材料，來滿足各種應(yīng)用需求。
唐濤研究員團(tuán)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(zhuǎn)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(lǐng)域中的應(yīng)用？煽靥蓟谋举|(zhì)是精確調(diào)控聚合物碳化過程中的降解、脫氫、環(huán)化、異構(gòu)化和交聯(lián)等反應(yīng)，從而制備微觀形貌、孔結(jié)構(gòu)和表面化學(xué)結(jié)構(gòu)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(tuán)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(yīng)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(nèi)置Fe3O4納米粒子活性物質(zhì)的三維中空多孔碳納米材料（HCS/PCF），并將其應(yīng)用到鋰離子電池負(fù)極材料當(dāng)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(jié)構(gòu)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(zhì)量百分比為6.5-11.2%（圖2）。當(dāng)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(yīng)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(zhì)，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(xué)的閔嘉康博士，中科院長春應(yīng)化所的唐濤研究員、波蘭West Pomeranian University of Technology的陳學(xué)成教授以及華中科技大學(xué)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
