华中大龚江课题组 CEJ：废旧聚酯转换成MOF进行可控碳化并用于太阳能界面水蒸发和产电协同

2022-08-11 来源：高分子科技

当今社会，塑料极大丰富了我们的生活。我国是塑料生产和消费的第一大国，2021年塑料产量高达8004万吨。聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）是第四大塑料，具有无毒、无味、透明度高、力学性能好等优点，被广泛应用于纤维、薄膜等领域。然而大多数塑料使用后变成废弃塑料，但是塑料的化学结构稳定，在自然环境中可能数百年不会被分解，因此造成了严重的环境污染和资源浪费。近年来将废旧塑料转化为高附加值的碳材料（比如石墨烯和碳纳米管）受到广泛关注（Nat. Catal. 2020, 3, 902; Prog. Polym. Sci. 2019, 94, 1; Chem 2021, 7, 1487; Nature 2020, 577, 647; Adv. Mater. 2022, 34, 2100843; J. Energy Chem. 2022, 69, 369; Adv. Mater. 2021, 33, 200519）。这不仅为废旧塑料的升级化学回收提供新策略，还为新型碳材料的制备提供新方法。目前，常见的塑料碳化方法可以归纳为以下两种策略。

第一种策略是裂解-催化碳化，也即是在热或者催化剂等作用下塑料降解为小分子产物，之后在铁、钴、镍等金属催化剂作用下小分子产物发生脱氢等反应变成碳材料（Angew. Chem. Int. Ed. 2005, 44, 1517; Appl. Catal. B: Environ 2014, 147, 592; Appl. Catal. B: Environ 2014, 152-153, 289; Nat. Catal. 2020, 3, 902; ACS Nano 2021, 15, 15461）。然而，该策略无法精确控制碳材料的微观结构。第二种策略是通过使用无机模板（例如SiO₂、蒙脱土等）将废旧塑料转化为多孔碳（J. Mater. Chem. A 2015, 3, 341; ACS Sustainable Chem. Eng. 2019, 7, 3801；Waste Manage. 2019, 87, 691; Sci. Total Environ. 2022, 815, 152900）。这需要使用腐蚀性化学试剂将模板去除，过程繁琐。

在过去几十年中，金属-有机框架（MOF）作为一种由金属节点和有机连接体构成的高度结晶材料，已经成为研究热点。MOF衍生的碳材料因其高比表面积、可控的形态和微观结构而备受关注。在这种背景下，利用废旧塑料作为前躯体来制备具有结构可控和成分可设计的多功能MOF引起了越来越多的兴趣。这不仅为MOF的低成本大规模生产提供了新的平台，还有助于实现碳中和。更吸引人的是，废旧塑料基MOF衍生的碳材料则为生产结构可控的碳材料提供了新的绿色方法。

另一方面，为了实现可持续发展，迫切需要解决能源危机和淡水短缺的难题。太阳能界面水蒸发是利用太阳能和光热材料从废水和海水中生产清洁水的一种新兴技术。理想的光热材料具有宽带光吸收，低导热率和高效水传输。在界面蒸发中，光热材料与环境或者水体的不可避免产生温度差，造成能量损失。而利用热电模块 (Nano Energy 2021, 86, 106138)，压电装置 (Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2010422)等，将这些低品质热利用起来转换成电能，实现太阳能的高效利用。

在最近的工作中（Chemical Engineering Journal，中科院1区，影响因子为16.774），课题组以废旧PET塑料瓶为原料，通过溶剂热法制备了Mn-MOF，并且在不同温度下碳化生成形貌各异的MnO/C纳米粒子，将其涂覆于棉布表面构成双功能蒸发器，用于太阳能界面水蒸发和产电结合（图1）。

图1 废旧PET溶剂热法制备Mn-MOF及其可控碳化制备形貌各异的MnO/C纳米粒子并应用于太阳能界面光热转化和热电集成示意图

在不同碳化温度下，Mn-MOF衍生的MnO/C纳米粒子展现了不同的形貌（图2）。在400度时，MnO/C纳米粒子保留了Mn-MOF的立方体结构。在500度时，Mn-MOF完全转变为球形MnO/C纳米粒子。温度升高到600度，呈现八面体结构的MnO/C纳米粒子。在700度时，产物由多面体MnO/C纳米粒子组成。

图2 (a和b) Mn-MOF及其不同碳化温度下MnO/C纳米粒子的形貌图：(c) MnO/C-400, (d) MnO/C-500, (e) MnO/C-600和(f) MnO/C-700；(g和h) MnO/C-600的高分辨透射电镜图

具有丰富孔结构和较高的比表面积的MnO/C-600纳米粒子能实现高效地吸光和光热转换，同时超亲水的棉布能实现快速的水传输。因而，将MnO/C-600纳米粒子涂覆在棉布上与聚苯乙烯泡沫结合，构成复合蒸发器，表现出优异的水蒸发性能（图3）。在1 kW m^-2下，MnO/C-600复合蒸发器的水蒸发速率为2.38 kg m^-2 h^-1，能量转换效率为98.5%，对染料水、生活废水等都有稳定的蒸发速率，经过30次循环，产水速率仍然维持在2.2 kg m^-2 h^-1以上。为了测试复合蒸发器在实际中的应用，他们进行了户外测试，累积产水量为4.6 kg m^-2（图4）。与热电模块集成，在3个太阳下输出电压可以达到330 mV（图5），将几个热电装置串联可以使小风扇转动或者点亮计算器的液晶显示屏。该研究不仅为废旧塑料的升级化学回收提供新的策略，还为新型太阳能界面水蒸发和热电联产提供新平台。

图3 (a~g) MnO/C-x (x = 400, 500, 600和700)涂覆于棉布上制备复合蒸发器并用于太阳能界面水蒸发；(h和i)棉布与MnO/C-600复合蒸发器的COMSOL模拟

图4 MnO/C-600复合蒸发器用于实际户外产水实验

图5 (a~h) MnO/C-600复合蒸发器与热电模块结合用于产电；(i~k)几个热电模块串联可以使风扇旋转和点亮LED屏幕

以上研究成果以Shape-controlled fabrication of MnO/C hybrid nanoparticle from waste polyester for solar evaporation and thermoelectricity generation为题发表在期刊Chemical Engineering Journal（中科院1区，影响因子为16.774）上。论文第一作者为华中科技大学化学与化工学院2021级硕士研究生范子芬，牛冉研究员和龚江研究员是共同通讯作者。论文作者还包括硕士研究生任佳欣、白慧颖、何攀攀、刘宁和陈冰钰，以及博士研究生郝亮。该研究得到国家自然科学基金、华中科技大学人才引进基金和湖北省海外高层次人才计划的资助。

文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894722040153?via=ihub

通讯作者简介：龚江博士，华中科技大学化学与化工学院研究员、博士生导师。2010年本科毕业于四川大学高分子科学与工程学院，2015年博士毕业于中国科学院长春应用化学研究所，2015~2018年先后在德国马克斯-普朗克胶体界面研究所和美国得克萨斯州大学圣安东尼奥分校做博士后研究，2018年10月加入华中科技大学。研究方向为（1）废旧塑料可控降解-碳化制备单体、碳材料、氮化碳或者MOF材料；（2）太阳能界面光热转换技术及其与热电转换、光催化降解、水伏发电和海水提铀等技术的集成应用。迄今为止在Prog. Polym. Sci.、Adv. Mater.和Angew. Chem. Int. Ed., Appl. Catal. B和Chem. Eng. J.等期刊发表SCI论文121篇，其中第一作者/通讯作者61篇，被引用超过3900次，4篇论文被选为“HOT Paper”，3篇论文被选为“ESI高被引论文”，获得7项授权的中国发明专利，担任Rare Metal（影响因子为6.3）的青年编委。此外，获得湖北省海外高层次人才计划、国际纯粹和应用化学联合协会（IUPAC）颁发的江教授新材料青年奖、华中学者、重庆垫江青年五四奖章等荣誉奖励。主持国家自然科学基金和企业合作项目等6项。指导学生获得湖北省大学生化学化工学术创新成果报告一等奖3项。

课题组链接：http://www.polymer.cn/ss/gongjiang_hust/index.html

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（责任编辑：xu）

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