碳化活化低密度聚乙烯微塑料制备柔性超级电容器的资源化利用研究

本研究针对微塑料污染治理与资源化难题，创新性地通过碳化-活化工艺将低密度聚乙烯微塑料转化为高性能电极材料（AC-MP，比表面积达631.8 m2/g），结合PEDOT:PSS构建柔性超级电容器（SCs），在0.24 A/g下实现92.1 F/g的比电容，弯曲后仍保持93.6%性能，为可穿戴设备提供环境友好型能源解决方案。

　　

塑料污染已成为全球环境危机的标志性难题，每年数百万吨塑料垃圾进入海洋，经风化降解形成的微塑料（MPs）甚至渗透至北极冰川和人体血液。传统机械回收易导致材料性能劣化，而化学回收能耗高且难以规模化。与此同时，柔性电子设备的爆发式增长对高性能储能器件提出迫切需求。如何将环境污染物转化为高附加值材料，成为横跨生态保护与能源技术的关键科学问题。

韩国环境产业技术研究院资助的研究团队在《Journal of Environmental Chemical Engineering》发表突破性成果，首次实现低密度聚乙烯（LDPE）微塑料向柔性超级电容器（SCs）电极材料的定向转化。研究人员通过阶梯式热解碳化结合化学活化工艺，将微塑料粉末转化为多孔碳材料（AC-MP），其比表面积达631.8 m²/g，远超商业活性炭。通过引入导电聚合物PEDOT:PSS构建复合电极，最终制备的柔性器件在扭曲变形下仍保持88.8%的电容性能，循环寿命突破1000次。

关键技术方法
研究采用三步法：1）LDPE微塑料在氮气氛围下梯度升温碳化（200-900°C）获得碳化微塑料（C-MP）；2）KOH化学活化构建分级孔隙结构（AC-MP）；3）通过溶液浇铸法将AC-MP与PEDOT:PSS复合制备柔性电极。采用BET、SEM表征材料形貌，通过循环伏安法（CV）和恒电流充放电（GCD）测试电化学性能。

研究结果

1. 材料特性：活化工艺使AC-MP孔隙率提升4.7倍，形成2-5 nm介孔主导的互通网络，XPS显示含氧官能团占比达11.3%，有利于电荷存储。
2. 电化学性能：PEDOT:PSS_AC-MP电极在0.24 A/g电流密度下比电容达92.1 F/g，能量密度12.8 mWh/g，优于多数生物质衍生碳材料。
3. 机械稳定性：经500次180°弯曲后，器件电荷转移电阻（R_ct）仅增加8.2%，证明PEDOT:PSS的柔性基质有效缓冲机械应力。
4. 环境效益：全流程碳足迹分析显示，该方法较传统活性炭生产减少62%能耗，每公斤微塑料可制备3.2 m²电极薄膜。

结论与意义
该研究开创了"污染治理-材料再生-能源应用"的闭环解决方案：

1. 技术创新：揭示KOH活化诱导的sp²碳重构机制，使废弃塑料获得石墨烯类似物特性；
2. 应用突破：首次实现微塑料基SCs在智能手环原型机的连续供电（8小时以上）；
3. 范式价值：为《巴黎协定》背景下的"双碳"目标提供新思路——通过将1吨LDPE微塑料转化为SCs，相当于减少14.7吨CO₂当量排放。

Sunmin Han和Joonyoung Lee等研究者证明，环境污染物与先进能源材料之间并非不可逾越，这项成果或将重新定义塑料垃圾的全球治理策略。未来研究可进一步优化活化剂配比，探索其他塑料（如PET、PP）的转化路径，推动该技术向工业化迈进。