固体塑料废弃物的处理与回收是当今社会可持续发展所面临的重大挑战。目前全球塑料废弃物累计达63亿吨，其中约90%的废弃塑料被集中填埋或焚烧，既造成了严重的环境污染，又浪费了大量资源。与此同时，机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，而热裂解、催化分解等化学回收方式也只能将废弃塑料转化成化工原料混合物，难以进一步低成本实现提纯。聚合物中含有大量的碳元素（聚烯烃高达85.7%），因此使用塑料废弃物作为碳源，通过碳化反应制备高附加值的碳材料，是一种在理论上行之有效的方法。从可持续发展的角度来看，塑料废弃物基碳源具有低毒、价廉和来源广泛的优点，使用不同的碳化方法可将塑料废弃物转化为形貌和结构可调控的碳纳米材料，来满足各种应用需求(e.g., Nat. Catal. 2020, 3, 902; Chem 2021, 7, 1487; Nature 2020, 577, 647)。

  闵嘉康博士、龚江研究员及其合作者（特别是中科院长春应化所唐涛研究员课题组）致力于聚合物（特别是废塑料）的可控碳化反应研究（Prog. Polym. Sci. 2019, 94, 1），拓展了 “组合催化碳化法” （Appl. Catal. B 2012, 185, 117; J. Mater. Chem. A 2019, 7, 22912; Sci. China Mater. 2020, 63, 779），并且提出了“活性模板碳化法”（J. Mater. Chem. A 2015, 3, 341; Waste Manage. 2019, 85, 333; Waste Manage. 2019, 87, 691; Chem. Commun. 2020, 56, 9142; Chemosphere 2020, 253, 126755; Energy Environ. Mater. 2021）、“快速碳化法”（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）和“逐步交联法”（J. Environ. Chem. Eng. 2022, 10, 106959; Green Energy Environ. 2021;EnergyEnviron. Mater. 2021）等四种策略，将聚丙烯、聚乙烯和聚苯乙烯等塑料转化成中空碳纳米球、碳纳米纤维、碳纳米管、杯叠碳纳米管、石墨烯和多孔碳纳米薄片，并且探索了它们在吸附、光催化降解和能源存储等领域中的应用。聚合物可控碳化的本质是精确调控聚合物碳化过程中的降解、脱氢、环化、异构化和交联等反应，从而制备微观形貌、孔结构和表面化学结构可控的碳材料。

图1 “活性模板碳化”策略合成二氧化锡（SnO₂）/中空碳球（HCS）/多孔碳薄片（PCF）三维碳纳米材料

  在最近的工作中（Science of the Total Environment, 2022, in press），该团队探索了“活性模板碳化”策略在合成二氧化锡（SnO₂）/中空碳球（HCS）/多孔碳薄片（PCF）三维碳纳米材料中的应用。该方法以“多孔氧化镁/乙酰丙酮铁MgO/(Fe(acac)₃”为组合碳化模板，并分别以聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、聚苯乙烯（PS）、聚氯乙烯（PVC）废弃物的混合物为碳源，制备了一系列内置不同形貌尺寸和负载量得SnO₂粒子活性物质的三维中空多孔碳纳米材料（HCS/PCF），并将其应用到锂离子电池负极材料当中（图1）。根据SnO₂粒子的负载机理，依次将电极命名为nano SnO₂ sphere@HCS/PCF，SnO₂ cube@HCS/PCF，bulk SnO₂ flake@HCS/PCF和SnO₂ block@HCS/PCF（图2）。

图2 SnO₂/HCS/PCF样品的TEM表征

  所制备的SnO₂/HCS/PCF样品比表面积为680-1360 m²/g， SnO₂粒子的质量百分数为12.6-74.9%，其中纳米SnO₂ sphere和SnO₂ cube的尺寸分别为1 nm和30 nm左右（图2-3）。他们进一步研究了这些样品的锂电储能行为，SnO₂ sphere@HCS/PCF-3 和 SnO₂ cube@HCS/PCF电极的倍率性能和长循环稳定性表征如图4所示。循环80次后，二者的可逆电容稳定在1100 mAh/g左右。在5 A/g的扫描电流密度下循环1000次后，二者的可逆电容保持率仍接近100%，SnO₂ sphere@HCS/PCF-3电极的可逆电容大约稳定在450 mAh/g，SnO₂ cube@HCS/PCF电极的可逆电容稳定在500 mAh/g左右（图4）。由此可见，在三维中空多孔碳骨架中引入适量纳米尺寸的高电容活性物质SnO₂，可以使电极材料的储锂性能得到大幅提升。

图3 SnO₂/HCS/PCF样品的结构参数表征

图4 SnO₂ sphere@HCS/PCF-3 和 SnO₂ cube@HCS/PCF电极的倍率性能和长循环稳定性表征

  新加坡国立大学的闵嘉康博士(兼第一作者)与He Chaobin教授以及华中科技大学的龚江研究员为该论文的共同通讯作者。

  论文信息：Jiakang Min,* Xiaodong Xu, J. Justin Koh, Jiang Gong,* Xuecheng Chen, Jalal Azadmanjiri, Feifei Zhang, Siqi Liu and Chaobin He* Diverse-shaped tin dioxide nanoparticles within a plastic waste derived three-dimensional porous carbon framework for super stable lithium-ion storage. Science of the Total Environment, 2022, in press

  论文链接：

  https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.152900

  https://doi.org/10.1002/eem2.12199

  https://doi.org/10.1016/j.gee.2020.10.002

  https://doi.org/10.1002/eem2.12235