聚氯乙烯基塑料催化裂解制备碳纳米管中的氯抑制机制与抗氯策略研究

为解决聚氯乙烯(PVC)中氯(Cl)对废塑料催化裂解制备碳纳米管(CNT)的抑制作用，研究人员系统探究了Cl在气相和催化剂相的失活机制，发现催化剂还原形成的Fe2AlO4尖晶石结构可提升抗氯性，在含10 wt% PVC的混合塑料中将碳产率从17 wt%提升至28 wt%。该研究为含氯废塑料的高值化利用提供了创新解决方案。

　　

塑料污染已成为全球环境挑战，其中聚氯乙烯(PVC)作为第三大塑料品类，其高氯含量(56 wt%)严重阻碍废塑料催化转化制备碳纳米管(CNT)的进程。现有研究表明，PVC裂解产生的氯化氢(HCl)会导致催化剂失活，即使0.3 wt%的PVC混入也会显著降低CNT产率。传统脱氯预处理工艺复杂且成本高昂，亟需开发直接抗氯策略。

华中科技大学能源与动力工程学院的研究团队在《Carbon Capture Science & Technology》发表研究，揭示了PVC中Cl对铁基催化剂的失活机制，并提出温度调控与催化剂还原两种创新抗氯策略。通过X射线衍射(XRD)和X射线光电子能谱(XPS)表征发现，Cl会优先攻击Fe₂O₃活性位点，而还原形成的Fe₂AlO₄尖晶石结构具有三维氧网络保护作用。研究采用两段式固定床反应器，结合热重分析(TGA)和拉曼光谱(Raman)等手段，系统评估了不同条件下CNT的形貌与产率。

在"Cl-containing volatiles对催化剂的影响"部分，XRD显示800°C时未还原催化剂的Fe₂O₃特征峰消失，而还原催化剂仍保持Fe₂AlO₄结构。BET测试表明Cl会导致催化剂孔道坍塌，但600°C时孔道破坏程度减轻。XPS证实还原催化剂表面Fe²⁺含量增加至49.6%，增强了抗氯能力。

关于"氯化物添加剂对CNT形成的影响"，扫描电镜(SEM)显示添加NiCl₂·6H₂O可使CNT直径最小化至35.3 nm，透射电镜(TEM)证实其与Fe形成合金效应。拉曼光谱中G'峰(2700 cm^-1)的出现证明抗氯策略能显著提升CNT石墨化程度。

在"抗氯策略"验证中，催化剂还原法使含10% PVC塑料的碳产率提升47%(17→25 wt%)，温度调控法通过350°C预脱氯使产率达28 wt%。能量色散X射线光谱(EDS)证实产物中Cl残留极少，TEM显示CNT壁厚约9 nm，封装Fe颗粒尺寸18-39 nm。

该研究首次阐明PVC中Cl通过破坏Fe₂O₃晶体结构导致催化剂失活的机制，提出的抗氯策略无需添加脱氯剂即可实现含氯塑料高值转化。从全生命周期评估，该技术相比传统焚烧处理可减少13-48 kgCO₂e/kg_plastic排放，为塑料垃圾碳封存提供了新路径。研究团队指出，未来需进一步优化工艺参数以适应工业化放大需求。