废弃口罩衍生活性炭耦合Cu-C/TiO2光催化剂实现CO2可持续制甲醇

《Journal of CO2 Utilization》：Sustainable methanol production from CO 2 using waste mask-derived activated carbon and Cu–C/TiO 2 photocatalyst

本研究针对新冠疫情带来的废弃口罩污染与温室气体排放双重环境挑战，开发了一种循环经济路径。研究人员通过将废弃聚丙烯口罩升级转化为高性能活性炭（CO2吸附量达2.711 mmol·g-1），并耦合铜-碳共掺杂二氧化钛（Cu-C/TiO2）光催化剂，在紫外光和自然阳光下成功将捕获的CO2转化为甲醇。实验显示改性催化剂使甲醇产率提升约6倍，5小时浓度达3.79 g·L-1（紫外线）和3.39 g·L-1（日光），催化剂再生后活性保持98.6%。该技术为同时解决塑料污染和碳减排提供了可行方案。

　　

当全球仍在应对新冠疫情余波时，一个意想不到的环境危机正在浮现——废弃的口罩如潮水般涌入垃圾填埋场和海洋。这些由聚丙烯制成的防护用品，需要数百年才能降解，最终以微塑料的形式进入生态系统。与此同时，大气中的二氧化碳浓度已突破422 ppm，较工业革命前上升超50%。这两个看似无关的危机，在巴基斯坦国立科学技术大学研究团队的创新研究中找到了交汇点：他们成功将废弃口罩转化为高效二氧化碳吸附剂，并利用太阳能将其转化为清洁燃料甲醇，实现了"变废为宝"的双重环境效益。这项发表于《Journal of CO2 Utilization》的研究，为同时解决塑料污染和温室气体排放提供了创新方案。

研究团队采用了几项关键技术方法：首先通过化学活化法将废弃口罩转化为多孔活性炭；采用溶胶-凝胶法制备铜-碳共掺杂二氧化钛光催化剂；设计集成式光反应器系统实现CO₂吸附与转化的连续操作；使用紫外-可见分光光度法进行甲醇定量分析；通过氮气吸附-脱附等温线表征材料孔隙结构。其中口罩样本来自当地医院，海水取自阿拉伯海。

3.1. 活性炭表征

通过傅里叶变换红外光谱显示口罩衍生活性炭具有丰富的含氧官能团（O-H、C=O等），比表面积达675 m²·g^-1，孔径分布以9 nm左右的介孔为主，这种结构有利于CO₂的扩散与吸附。

3.2. CO₂吸附

在25°C、1 atm条件下，活性炭对CO₂的吸附量达到2.711 mmol·g^-1，吸附-脱附曲线显示材料具有良好的可逆吸附性能。

3.3. 光催化剂表征

X射线衍射证实Cu-C/TiO₂保持锐钛矿相结构，铜物种高度分散。扫描电镜显示催化剂呈现多孔不规则形貌，有利于光吸收和反应物传输。

3.4. 甲醇生产

在优化条件下，Cu-C/TiO₂的光催化活性比未掺杂TiO₂提高5-6倍。海水作为反应介质时甲醇产率最高（3.79 g·L^-1），相比NaOH溶液提升7.1%。自然光照下产率达3.39 g·L^-1，证实了太阳光驱动的可行性。催化剂再生后活性保持98.6%。

3.5. 时间依赖性甲醇浓度

反应前5小时内甲醇浓度快速上升，之后逐渐趋于平衡，表明反应体系在5小时左右达到最佳转化效率。

3.6. CO₂转化与碳平衡

每次实验引入29.44 g CO₂，其中6.56 g被活性炭吸附，23.00 g转化为甲醇，总碳利用率接近100%，实验室尺度实现碳中性操作。

研究结论表明，这项技术通过"口罩-活性炭-CO₂捕集-甲醇合成"的循环路径，实现了废弃物资源化与碳减排的协同增效。技术经济分析显示，每公斤甲醇生产成本约1712巴基斯坦卢比（约8.6美元），低于当地市场价格，且规模化后可通过碳信用获得额外收益。特别值得注意的是，当放大到15 kg口罩处理规模时，整个生命周期可实现碳负排放，即净吸收88.9 kg CO₂。这种将环境污染物转化为高附加值产品的策略，为发展中国家应对气候变化和废物管理挑战提供了新思路，有望推动碳捕获与利用技术向低成本、可持续方向发展。