废弃塑料高值化利用新策略：催化热解制备薄壁均匀碳纳米管

本研究针对废弃塑料污染问题，通过过渡金属催化热解技术将塑料聚合物转化为高附加值薄壁碳纳米管(CNTs)。采用MgO载体限制铁纳米颗粒迁移，成功制备出直径约8nm、壁厚6层石墨的小直径薄壁CNTs，碳沉积率超过10wt.%。该工作为废塑料资源化提供了新途径，对实现碳中和目标具有重要意义。

　　

随着塑料制品在现代社会的广泛应用，废弃塑料污染已成为全球性环境挑战。据统计，全球塑料年产量超过数亿吨，其中大量塑料废弃物最终进入自然环境，特别是海洋生态系统，对生物多样性和生态平衡构成严重威胁。传统的填埋和焚烧处理方式不仅占用土地资源，还会产生温室气体和有毒物质，进一步加剧环境压力。在此背景下，如何实现废弃塑料的高值化利用成为科研人员关注的焦点。

将废弃塑料通过热化学转化方法制备碳纳米管(CNTs)被认为是一种颇具前景的解决方案。碳纳米管因其独特的电学、力学和光学性质，在电子器件、能源存储和复合材料等领域具有广泛应用前景。然而，现有研究制备的碳纳米管往往存在直径过大（20-120nm）、结构缺陷多等问题，限制了其实际应用效果。相比之下，小直径碳纳米管具有更高的比表面积和更优异的性能表现，但如何实现可控合成仍面临挑战。

针对这一技术瓶颈，南京师范大学的研究团队在《Green Energy》上发表了一项创新性研究。他们开发了一种新型催化体系，通过优化催化剂结构和反应条件，成功将废弃塑料转化为直径更小、壁厚更薄、均匀性更好的碳纳米管。

研究团队主要采用了以下关键技术方法：首先以碱式碳酸镁煅烧制备多孔氧化镁(MgO)载体，然后通过浸渍法负载过渡金属（Fe、Co、Ni）活性组分；使用两段式固定床反应器进行催化热解实验，通过气相色谱分析气体产物组成；综合利用扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)和拉曼光谱等技术对催化剂和碳产物进行系统表征。

催化剂设计与表征

研究人员创新性地采用源自碱式碳酸镁煅烧的多孔氧化镁作为催化剂载体，这种载体具有独特的层状结构和丰富的孔隙分布。扫描电镜结果显示，制备的Fe-MgO催化剂呈现花簇状层状结构，孔隙分布均匀。能量色散X射线光谱分析证实铁元素在MgO载体上分布均匀，含量约为0.5wt.%。氮气吸附-脱附等温线表明，多孔氧化镁的孔径主要集中在10nm左右，这种受限的孔结构不仅能有效防止活性金属纳米颗粒的团聚，还为小直径碳纳米管的生长提供了理想空间。

不同塑料原料的催化性能

研究比较了聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)和聚苯乙烯(PS)三种常见塑料的催化热解效果。结果表明，Fe-MgO催化剂能显著提高碳沉积率，其中PS的碳产率最高，达到约20wt.%，而PE和PP的碳产率均超过10wt.%。气体产物分析发现，PS热解产生的氢气含量超过60vol.%，表现出优异的碳氢分离能力。拉曼光谱和XRD分析证实，Fe-MgO催化剂作用下生成的碳材料具有更高的石墨化程度，特别是PE和PP衍生的碳材料显示出明显的G'带，这是碳纳米管的典型特征。

碳纳米管形貌结构分析

透射电镜观察显示，Fe-MgO催化剂作用下生成的碳纳米管具有中空管状结构，直径分布范围为5-14nm，主要集中在7-9nm之间，平均直径仅为8.62nm，方差为2.34nm²。高分辨电镜进一步揭示，典型碳纳米管的外径约为11nm，内径约6nm，管壁由7层石墨碳层组成，对应0.344nm的层间距，与石墨理论值一致。相比之下，纯MgO作为催化剂时只能生成无定形碳，无法形成管状结构。

不同金属催化剂的性能比较

研究还对比了Fe、Co、Ni三种过渡金属催化剂的性能差异。结果表明，Fe基催化剂的碳沉积率最高，Co和Ni基催化剂相对较低，这与其碳溶解度的差异有关。虽然三种催化剂都能促进碳纳米管形成，但Co和Ni基催化剂生成的碳纳米管直径较大（约12nm），且Co基催化剂生成的碳纳米管中G'带较宽，表明其石墨化程度相对较低。这些发现说明Fe在催化废弃塑料制备小直径碳纳米管方面具有明显优势。

温度对碳纳米管生长的影响

温度是影响碳纳米管生长的关键因素。实验发现，750°C是最佳反应温度，此时碳产率最高，碳纳米管形貌最优。低于此温度（700°C）时，催化活性不足，碳纳米管生成量少；高于此温度（800°C）时，虽然碳产率仍较高，但碳纳米管直径显著增大（超过40nm），且结构规整性下降。热重分析表明，800°C下生成的碳材料氧化温度更高，说明其热稳定性更好，但拉曼光谱显示其G'带不明显，表明碳纳米管含量相对较低。

本研究系统探讨了通过催化热解将废弃塑料转化为高价值碳纳米管的可行性。多孔氧化镁载体能有效限制过渡金属纳米颗粒的迁移，促进小直径薄壁碳纳米管的成核和生长。在最佳反应条件（750°C，Fe-MgO催化剂）下，成功制备出直径约8nm、壁厚6层石墨的高质量碳纳米管。相比聚苯乙烯，聚乙烯和聚丙烯更适合作为碳纳米管的碳源。该研究不仅为废弃塑料的高值化利用提供了新思路，还为小直径碳纳米管的可控合成奠定了技术基础，对推动循环经济发展和实现碳中和目标具有重要意义。未来研究可进一步优化催化剂设计，探索不同塑料混合热解的协同效应，推动该技术向工业化应用迈进。