从废料到气凝胶：将消费后的铝制啤酒罐升级为基于氧化铝的气凝胶，并提升其电化学储能性能

《ACS Sustainable Resource Management》：From Waste to Aerogel: Upcycling of Post-Consumer Aluminum Beer Cans into Alumina-Based Aerogels with Improved Electrochemical Storage Performance

废弃铝罐循环制备高纯度氧化铝气凝胶及其超级电容器性能研究，通过盐酸溶解铝罐部件制备AlCl3前驱体，采用环氧乙烷辅助凝胶化与超临界CO2干燥法，成功获得高比表面积（470 m2/g）、高孔隙率（4.7 cm3/g）的γ-AlOOH/γ-Al?O?气凝胶。研究证实锰掺杂显著提升电化学性能，B1气凝胶经800℃热处理后比电容达1443 mF/g，较纯AlCl3制备样品提高110%，其伪电容特性源于Mn2+/Mn3+的氧化还原反应。

　　本研究提出了一种简便、无需模板且可持续的利用废弃铝罐制备氧化铝基气凝胶的新方法。通过回收和再利用日常消费后的铝罐废料，研究团队成功地制备出具有高比表面积、介孔结构、精细的纳米片/纳米纤维相互连接微结构以及良好热稳定性的相纯γ-氧化铝（γ-AlOOH）和γ-Al?O?气凝胶。这些气凝胶的性能与由高纯度AlCl?制备的对照样品相当，甚至在某些方面表现更优。特别地，研究还揭示了罐合金成分中的杂质，尤其是锰（Mn）对气凝胶光学、结构和电化学行为的影响，从而显著提升了其能量存储性能。这些成果为建立循环经济模式，将铝包装废弃物转化为具有广泛应用前景的先进纳米结构材料提供了新的思路。

铝罐作为铝制品的重要组成部分，广泛应用于食品行业，约占全球饮料罐产量的90%。然而，尽管铝罐的回收已经较为成熟，但在回收效率和技术创新方面仍有提升空间。目前全球约70%的此类废弃物被回收，但罐合金中含有的合金元素可能会对完全回收造成阻碍，通常需要补充初级生产的铝以调整杂质浓度。因此，将铝罐废料转化为功能材料的“升级回收”策略显得尤为重要。本研究中，通过回收铝罐的不同部分（如罐身、罐盖和罐底），在不使用聚合物粘合剂和模板的前提下，成功地制备了氧化铝基气凝胶，这不仅简化了合成过程，还降低了成本，为大规模生产提供了可能性。

该方法的关键在于对铝罐废料的处理和转化。通过将回收的铝罐废料溶解在浓盐酸中，生成金属氯化物前驱体溶液。然后，通过乙醇或异丙醇的溶剂交换和超临界干燥工艺，获得具有三维网络结构和孔隙结构的气凝胶材料。研究团队通过对比不同处理方式，发现使用异丙醇进行溶剂交换和干燥的气凝胶具有更高的纯度和锰含量，从而更适合超级电容器应用。相比之下，使用乙醇进行处理的气凝胶虽然具有更高的比表面积和孔体积，但其杂质含量相对较高，可能对某些应用产生不利影响。

研究团队还通过多种分析手段，如X射线荧光（XRF）、电感耦合等离子体质谱（ICP–MS）以及傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线衍射（XRD）等，对气凝胶的化学组成、结构和热行为进行了系统研究。结果显示，不同罐部分所含的合金元素显著影响了气凝胶的化学组成和物理性能。例如，罐身和罐底部分富含锰，而罐盖部分则富含镁。这些元素的引入不仅改变了气凝胶的颜色和光学性质，还对电化学性能产生了重要影响。通过X射线光电子能谱（XPS）和Mn K边X射线吸收近边结构（XANES）分析，进一步确认了锰的存在形式和氧化态，表明其在气凝胶中以Mn2?/Mn3?形式存在，这可能对气凝胶的电容性能产生积极影响。

在结构分析中，气凝胶表现出独特的三维网络结构和相互连接的介孔体系。通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）观察，气凝胶的微观结构呈现出纳米片或纳米纤维的形态。这种结构在热处理过程中基本保持不变，仅在晶化程度上有所提高。同时，通过氮气吸附分析（N? physisorption）评估了气凝胶的孔隙结构和比表面积，结果显示，这些材料具有高达470 m2/g的比表面积和4.7 cm3/g的孔体积，表明其具有优异的物理吸附性能，适合用于催化剂、吸附剂和传感器等应用。

在电化学性能方面，气凝胶表现出显著的双电层电容行为，并且在某些情况下还显示出赝电容特性。通过电化学分析，如循环伏安法（CV）和恒电流充放电测试，研究团队发现，使用异丙醇处理的气凝胶（B1）在800 °C热处理后表现出最高的比电容，达到1443 mF/g，远高于由高纯度AlCl?制备的对照样品。这表明，气凝胶中含有的锰氧化物杂质能够显著提升其电容性能，这与锰在氧化铝基材料中的掺杂效应有关。此外，通过阻抗谱分析和拉格朗日图（Ragone plot）进一步评估了气凝胶的能量和电荷密度，结果显示，这些材料在能量密度和功率密度方面均优于对照样品，显示出良好的应用前景。

本研究的创新点在于，通过利用日常废弃物——铝罐，开发出一种可持续的材料合成方法，不仅减少了铝的生产需求，还支持了废弃物管理。这一策略在循环经济框架下，为铝包装废弃物的再利用提供了新的思路，有助于实现资源的高效循环利用。此外，该方法避免了传统合成过程中对高纯度前驱体的依赖，降低了生产成本和环境影响，为绿色化学和可持续材料科学的发展提供了重要参考。

在实际应用方面，这些气凝胶材料不仅适用于超级电容器，还具有广泛的潜力，包括在催化、吸附、传感和光学器件中的应用。由于其高比表面积和良好的热稳定性，这些材料能够有效吸附气体和液体，适合用于环境治理和工业过滤。同时，其独特的介孔结构和光学性质，使其在光子技术、传感器和光学器件中表现出色。此外，气凝胶的电化学性能使其在储能领域具有重要价值，能够作为高效的电极材料，提升能量存储能力。

研究团队的成果表明，废弃物的再利用不仅可以减少资源浪费，还能创造出具有高附加值的新型材料。通过合理利用铝罐废料中的合金元素，可以显著提升气凝胶的性能，使其在多个领域中具有竞争力。这种策略不仅有助于推动绿色材料的发展，还为解决全球废弃物问题提供了新的思路。未来的研究可以进一步探索如何在工业规模上优化这一过程，以提高材料的性能和生产效率，同时降低对环境的影响。

综上所述，本研究通过回收铝罐废料，成功制备出具有高比表面积、介孔结构、良好热稳定性和优异电化学性能的氧化铝基气凝胶。这些材料不仅能够替代高纯度前驱体，降低生产成本，还能够通过引入合金元素提升其性能，使其在多个领域中具有应用潜力。这一成果为实现可持续发展和循环经济提供了重要的科学依据和技术支持，具有广阔的前景和应用价值。