Catalytic Upgrading of Plastic Wastes into High-Value Carbon Nanomaterials: Synthesis and Applications

塑料废弃物催化升级为高价值碳纳米材料：合成与应用

第一作者: Kaihao Cao | 通讯作者: Shengbo Zhang, Na Ji

所属大学: 待补充

DOI: 待补充 | 期刊名称: 待补充 | 发表年份: 2025

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论文亮点

研究背景

研究方法

本研究系统总结了将塑料转化为碳纳米材料的各种技术，重点关注不同转化方法的催化机制。详细研究方法包括：

此外，分析了不同催化剂、催化温度和金属-载体相互作用对碳纳米材料产率和质量的影响。

主要结论

Figure 1: 塑料废物的回收和升级以及后续产品的潜在应用

Figure 1
图1展示了塑料废物的回收和升级过程，包括机械回收和化学回收方法，以及产生的产品（如气体、液体燃料和碳纳米材料）的潜在应用，如能源存储和环境修复。

分析结果: 该图突出了化学回收技术的优势，能够处理复杂混合塑料并生产高价值材料，避免了预分类的需要，降低了处理成本。

Figure 2: 不同塑料的化学转化机制

Figure 2
图2包括多个子图，展示了LDPE氢解产生甲烷的机制、PET的碱性水解、PS的甲醇辅助 depolymerization（PS-MAD）、PS的光催化分解、PS的光酸催化降解以及PVC的回收方案。

分析结果: 这些机制图揭示了不同塑料的转化路径，例如氢解和水解反应如何分解聚合物链，生成有价值的小分子产品或碳纳米材料。结果显示，催化剂和反应条件对产品选择性和效率有显著影响。

Figure 3: 塑料废物碳化衍生的三种常见碳纳米材料

Figure 3
图3展示了石墨烯、多孔碳和碳纳米管的结构和性能特点，强调了它们在维度、导电性和应用方面的差异。

分析结果: 石墨烯具有二维蜂窝结构，导电性和机械强度优异；碳纳米管具有一维管状结构，高长径比，电子传输和轴向机械性能好；多孔碳具有三维互联孔网络，高比表面积和吸附能力。这些结构差异决定了它们在能源存储、催化和复合材料中的不同应用潜力。

Figure 4: 石墨烯的多样结构、优异性能和潜在应用

Figure 4
图4a展示了石墨烯的多样结构及其在生物医学中的潜在应用；图4b和4c显示了HWFG的二维和三维多孔结构以及电子显微镜图像。

分析结果: 石墨烯的优异物理性质，如高载流子迁移率和热导率，使其在能源存储、电子学和传感器中有广泛应用。HWFG具有高比表面积和丰富的微孔和介孔，适合用于电催化剂和气体吸附材料。

Figure 5: 多孔碳材料的合成和应用

Figure 5
图5a展示了从废物PP生成Fe₇S₈/CNS复合材料的路线图；图5b显示了高温下将高氮含量废物塑料转化为HER导体的氮掺杂碳载体方案；图5c展示了活性炭的一般合成路线。

分析结果: 多孔碳材料通过碳化和活化过程生产，具有高比表面积和吸附能力，适用于CO₂捕获、水处理和超级电容器。例如，从PP衍生的复合材料在能源存储中表现良好，而氮掺杂碳在催化中具有高效性能。

Figure 6: 多孔碳合成过程示意图

Figure 6
图6a展示了典型的熔融热解系统；图6b显示了三维分级多孔碳的合成过程；图6c展示了从PET生产多孔碳用于太阳能蒸发器应用；图6d显示了从混合塑料合成PCNS的过程。

分析结果: 这些图说明了不同合成方法如何生产多孔碳材料，例如使用模板和活化步骤来控制孔结构。结果显示出高比表面积和良好电化学性能，适用于环境修复和能源应用。

Figure 7: 快速碳化和加压碳化方法

Figure 7
图7a展示了典型的FJH装置；图7b显示了FJH方法合成氮掺杂石墨烯的过程；图7c展示了LDPE的自生压力碳化和KOH活化机制图；图7d显示了NHPC合成的示意图。

分析结果: FJH技术高效且环保，能在秒级内生产石墨烯，降低能源消耗。加压碳化改善了材料的机械和化学稳定性，生产出的碳材料在超级电容器中表现出高比电容和优异循环稳定性。

Figure 8: 微波辅助催化热解过程

Figure 8
图8a展示了两阶段热解气化过程和单阶段微波催化过程的示意图；图8b显示了DLMP方法的反应过程示意图。

分析结果: 微波辅助热解利用微波辐射快速加热，提高催化效率，生产氢气和碳纳米管。例如，DLMP方法实现了高氢气产率，但碳纳米管直径分布不均匀，需进一步改进。该技术具有低能耗和高效率的潜力。

Figure 9: 催化剂对碳纳米材料生产的影响

Figure 9
图9a展示了废物塑料热解催化生产碳纳米材料和富氢气体的示意图；图9b显示了钼和镍对PS碳化的影响示意图；图9c展示了PP碳化的Ni/CNM用于太阳能蒸汽发电的示意图；图9d显示了在整体多层不锈钢网催化剂上催化热解塑料生产MWCNTs和H₂的示意图。

分析结果: 金属催化剂如Fe、Ni和Co显著影响碳纳米材料的产率和质量。例如，Ni-Fe催化剂在特定摩尔比下实现高氢气产率和碳纳米管生长。催化剂的结构和组成优化可以提高反应效率和产品选择性。

Figure 10: 催化剂结构和反应条件的影响

Figure 10
图10a展示了金属碳化物催化剂之间的SMSI效应示意图；图10b显示了一锅催化碳化LLDPE与Ni₂O₃和PVC树脂生产磁性Ni/C nanomaterials的过程；图10c展示了使用电弧放电技术将PET废物转化为NCUFCTs、MWCNTs和SCSs的表示；图10d显示了碳化真实混合塑料并用KOH活化生产PCNS的过程；图10e展示了在Fe/Al₂O₃催化剂上催化转化各种类型塑料的示意图。

分析结果: 催化剂颗粒大小、金属-载体相互作用和制备温度影响碳纳米材料的直径和纯度。例如，较大的金属颗粒导致较大直径的碳纳米管，而适当的 calcination 温度提高催化剂活性和稳定性。塑料原料的类型也影响产率，PS基塑料更适合生产固体碳 nanomaterials。

Figure 11: 石墨烯合成和应用

Figure 11
图11a展示了使用PE微塑料合成石墨烯的APMP系统；图11b显示了从PCL废物制成的GNS-x蒸发器用于太阳能界面蒸发和水力发电的设计；图11c展示了FJH过程和闪蒸过程中温度升高与时间的关系图。

分析结果: APMP和FJH技术高效生产石墨烯，适用于水吸附和材料增强。例如，石墨烯基蒸发器具有高 sunlight 吸收率和光热转换性能，水蒸发速率高。石墨烯作为添加剂改善聚氨酯泡沫的性能，促进塑料回收。

Figure 12: 多孔碳材料的应用

Figure 12
图12a展示了柑橘皮废物AC-CLP；图12b显示了PET和PS的化学改性生产活性炭的过程。

分析结果: 多孔碳材料从废物源生产，具有高吸附能力，用于水处理中的氟离子和PAHs去除。例如，铁浸渍活性炭有效吸附氟离子，而从PET和PS生产的活性炭对PAHs吸附能力强，提供经济环保的废水处理方案。

Figure 13: 多孔碳用于CO₂捕获和超级电容器

Figure 13
图13a展示了泡沫碳纳米片用于CO₂捕获和超级电容器的合成；图13b显示了PET作为前体合成微孔碳用于CO₂捕获的过程。

分析结果: 多孔碳材料具有高比表面积和良好循环稳定性，适用于CO₂捕获和能源存储。例如，从泡沫材料衍生的碳纳米片表现出高CO₂吸附和优异电化学性能，而从PET生产的微孔碳具有高CO₂选择性和吸附量。

Figure 14: 碳纳米管的应用

Figure 14
图14a展示了用于水处理的CNT复合膜；图14b显示了磁性Ni/C nanomaterials的吸附行为和磁分离现象照片；图14c展示了塑料废物衍生的Fe-N-CNTs用于锌空气电池；图14d显示了CNTAs的制备和应用流程图。

分析结果: 碳纳米管具有高强度、轻质和优异导电性，适用于水处理、能源存储和催化。例如，CNT复合膜用于水净化，磁性Ni/C nanomaterials用于吸附和分离，Fe-N-CNTs在锌空气电池中表现良好，显示出高应用潜力。