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华中科大龚江研究员、赵强教授和中科院长春应化所唐涛研究员合作在聚酯可控碳化取得新进展
2019-08-28  来源:高分子科技

  高分子材料在推动国民经济快速发展的同时,产生的废弃高分子给环境和资源造成了严峻的问题。以塑料为例,目前全球废弃塑料累计达63亿吨,约90%的废弃塑料被填埋或积累在自然环境中,既严重污染环境(比如“白色污染”),又浪费大量资源。对于废弃塑料,最简单的回收方法是机械回收,但是得到的混合塑料附加值不高。通过裂解、催化分解等化学回收方式可以将废弃塑料转化成单体或者其他有用的化工原料,但是产物往往是混合物、难以纯化。塑料通常含有较高的碳元素,因而将废弃塑料转化成高附加值的碳材料不仅为废弃塑料的回收再利用提供新途径,还为制备功能性碳材料提供新方法。

  唐涛研究员团队及其合作者从2005年至今致力于聚合物(特别是废弃塑料)碳化,提出了“组合催化碳化”、“活性模板碳化”和“快速碳化”三种策略,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,并且探索在吸附污染物、光催化降解和能源存储中的应用(Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 1517; Carbon 2007, 45, 449; Appl. Catal. B 2012, 117–118, 185; J. Mater. Chem. A 2013, 1, 5247; J. Mater. Chem. A 2014, 2, 7461; Appl. Catal. B 2014, 152–153, 289; Appl. Catal. B 2014, 147, 592; J. Mater. Chem. A 2015, 3, 341; Waste Manage. 2019, 87, 691)。特别是,最近首次提出了“聚合物可控碳化”的概念(Prog. Polym. Sci. 2019, 94, 1)。其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、表面化学结构和电子云结构可控的碳材料。对于成碳聚合物而言,降解和交联是最重要的反应。如何精确调控成碳聚合物的降解和交联反应是成碳聚合物实现可控碳化的关键科学问题。

图1 ZnCl2/NaCl熔融盐促进PET可控碳化制备等级孔碳材料并且用于光热海水淡化

  在最近的工作中(J. Mater. Chem. A 2019, Doi: 10.1039/C9TA07663H,影响因子10.733),研究者首次发现ZnCl2/NaCl熔融盐可以精确调控聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的碳化反应制备具有等级孔结构的多孔碳,并且在光热海水淡化中表现出优异性能(图1)。证明了ZnCl2/NaCl显著促进PET的脱水和脱碳基,从而生成含有端乙烯基和芳香环的中间降解产物。这些降解产物通过交联或者分子间聚合可以形成碳材料的骨架,有利于形成丰富的微孔(0.4~2 nm)。与此同时,ZnCl2/NaCl还起到了分子模板的作用,水洗以后形成大量的介孔(2~50 nm)和大孔(50~100 nm)(图2和图3)。

图2 熔融盐催化PET可控碳化制备的HPC-2和纯PET碳化产物HPC-0的宏观形貌、微观结构、元素分布和孔结构对比

图3 ZnCl2/NaCl熔融盐催化PET可控碳化的示意图

  制备的多级孔结构的碳材料具有较高的比表面积、丰富的亲水含氧官能团、较高的太阳光吸收效率和较低的导热系数,从而赋予了优异的太阳能光热海水淡化性能(图4)。比如,在1个太阳光强下,产水速率达到1.68 kg/m2/h,能量转化效率为97%,盐去除率高于99.9%。与此同时,对于染料污水、生活废水、河水和油水都有很好的分离纯化效果,达到了饮用水的标准。重复使用10次后,产水速率仍然保持在1.70 kg/m2/h左右。ZnCl2/NaCl熔融盐建立的碳化方法,相比于之前的聚合物碳化方法,具有催化剂价格便宜和容易回收等优点。而相比于其他模板法制备多孔碳,ZnCl2/NaCl熔融盐具有无毒和容易去除等优点。

图4 具有等级孔结构材料的HPC-2用于光热海水淡化

  该工作的第一作者是华中科技大学化学与化工学院2016级拔尖班本科生张博易龚江研究员、赵强教授以及中科院长春应化所唐涛研究员是共同通讯作者。论文作者还包括华中科技大学的宋长远、刘畅博士和倪云霞,新加坡国立大学的闵嘉康博士,澳大利亚Swinburne University of Technology的Jalal Azadmanjiri博士,以及美国康奈尔大学的牛冉博士。该工作得到华中科技大学人才引进基金(赵强和龚江)、青年千人计划(赵强)、材料化学与服役失效湖北省重点实验室开放基金(龚江)和国家自然科学基金(龚江)资助。另外,该工作被选为“2019 Journal of Materials Chemistry A HOT Papers”,将以Inside Front Cover的形式被重点报道。

  论文链接:Boyi Zhang, Changyuan Song, Chang Liu, Jiakang Min, Jalal Azadmanjiri, Yunxia Ni, Ran Niu, Jiang Gong*, Qiang Zhao*, Tao Tang*. Molten salts promoting the “controlled carbonization” of waste polyesters into hierarchically porous carbon for high-performance solar steam evaporation. J. Mater. Chem. A 2019, Doi: 10.1039/C9TA07663H.

  https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/TA/C9TA07663H#!divAbstract

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