将废弃塑料瓶来源的聚对苯二甲酸乙二醇酯升级转化为氧化石墨烯及其CO2吸附性能评价

《Discover Nano》：Upcycling of polyethylene terephthalate sourced from waste plastic bottles into graphene oxide and its evaluation for CO2 absorption

　　

人造"塑料"资源多年来已成为环境问题。该问题的理想解决方案仍在研究中。本研究旨在通过将地球上大量塑料废物转化为功能材料来消减其数量。该聚合物的碳链无法被断裂；然而，可将其转变为不同类别的碳形式。实验选用塑料废物，特别是聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET），并最终将其转化为氧化石墨烯。采用催化石墨化将一种碳形式转化为另一种碳形式。所获得的氧化石墨烯通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、能量色散谱（EDS）、热分析和电子顺磁共振（EPR）光谱进行表征。FT-IR和EDS结果证实了氧化石墨烯的合成。氧化石墨烯的热稳定性和磁行为令人满意。对CO₂吸附的催化行为是PETGO（聚对苯二甲酸乙二醇酯来源氧化石墨烯）的有力应用。脱附曲线表明CO₂通过化学吸附作用于材料表面。高脱附CO₂量表明高反应表面积和电子相互作用。

**研究背景与问题**

塑料废物在全球范围内的积累已成为严峻的环境问题。自20世纪70年代以来，塑料产品的产量急剧增长，其优越性能使其在包装、汽车、建筑和电气等行业中优于其他材料。塑料由来自石化产品的长链碳单体组成，这些长链要么需要数百年才能自然降解，要么被归类为不可生物降解的商品。一次性或单次使用塑料虽然提供了便利，但构成了塑料废物的主要部分。许多日常物品由混合塑料材料与纸张、玻璃和金属组成。此外，塑料污染已延伸至陆地和海洋生态系统。Barnes等对 giant Atlantic marine 保护区的研究表明，塑料碎片不仅存在于海面，也存在于海床。在偏远地区发现的塑料废物量与人口稠密的工业地区相当。微塑料和纳米塑料是更严重的威胁，影响所有生命形式，特别是水生藻类和光合细菌，后者负责全球10%的氧气生产。

由于塑料在地球表面的过度积累，对循环经济的需求日益增长。统计表明，自1950年以来仅有9%的塑料被回收。发展中国家继续面临基础设施不足、管理系统低效和社会意识缺乏等挑战。每分钟有数百万塑料袋和瓶子被使用，这些物品在环境中持久存在。PET瓶易于获取且是较高碳含量的来源，因此塑料瓶成为本研究的理想原料。

研究人员已探索了多种创新途径。Mukherjee及其团队综述了塑料废物转化为碳纳米管的研究。碳化是合成石墨等碳材料的自然过程，在地壳极端条件下需要数千年才能形成化石燃料。在催化条件下将塑料废物转化为碳材料符合碳化原理。通过在实验过程中引入催化剂，极端温度和压力需求显著降低。塑料的催化降解使研究人员能够优化最终产物。Yao等利用d区元素作为催化剂合成碳纳米管，消除了高温降解的需求并增强了催化活性。所用催化剂的类型影响所得碳材料的性质。Belbassi等通过实验观察到塑料类型也影响所产生的碳材料。Castelo-Quiben等和Zhou等采用催化转化方法生成碳材料，前者使用d区元素作为催化剂，后者利用铁-钼基催化剂。将塑料产品升级转化为各种形式的碳材料并应用于不同领域，代表了社区塑料废物管理的理想方法。其中一项应用是从环境中吸附和去除二氧化碳。CO₂是燃烧的常见副产物，导致大气中浓度升高。虽然CO₂在温度调节中起着关键作用，但过量的CO₂会导致全球变暖。多孔碳材料作为可靠的二氧化碳吸附材料已引起关注。氧化石墨烯表现出显著的吸附能力，进一步研究可能产生有效的二氧化碳捕获系统。Nagarajan等报告了有利结果，结论认为氧化石墨烯是一种高效材料。John和Abraham通过实验发现还原氧化石墨烯也可作为CO₂传感器的组件。在本研究中，来自塑料废物升级转化的石墨作为生产氧化石墨烯（GO）的基础。石墨中的sp²碳层通过氧化剂的作用发生氧化，形成氧化石墨。改进Hummer法是将石墨转化为氧化石墨烯的最广泛使用技术。氧化剂NaNO₃和KMnO₄在大规模生产GO方面显示出巨大潜力。该方法允许在不同程度上发生氧化。

**研究内容与结论**

本研究旨在通过将塑料废物转化为功能材料来消减地球上大量塑料废物。研究选用聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）塑料废物，通过催化石墨化和改进Hummer法成功将其转化为氧化石墨烯（PETGO）。FT-IR和SEM分析证实了氧化石墨烯的成功形成。EDS也证实了具有高碳和氧百分比的氧化石墨烯的形成。碳和氧的键合赋予PETGO独特的性质。EPR研究揭示了PETGO中磁性和顺磁行为的存在。PETGO的热稳定性卓越，在高温下表现出最小的降解。TPD图表明PETGO作为二氧化碳催化剂具有潜在应用。该研究不仅旨在消除塑料，还试图将其重新利用为具有经济价值的材料，具有重要的环境和经济意义。

**关键技术方法**

研究人员从Christ Church College, Kanpur校园收集PET塑料瓶，经分类、清洗、手工切碎后，与Fe(NO₃)₂·9H₂O催化剂混合，在密封马弗炉中以10 °C/min升温至750 °C并保持30分钟进行催化石墨化。所得石墨碳经酸洗（HCl和NaOH）去除催化剂后，采用改进Hummer法（使用NaNO₃、KMnO₄和H₂SO₄）氧化合成PETGO。表征手段包括FT-IR、FE-SEM、EDS、TGA、DSC、EPR和TPD化学吸附分析。

**研究结果**

**傅里叶变换红外光谱（FT-IR）**：通过FT-IR分析石墨和氧化石墨烯的结构差异，石墨的FT-IR谱图呈直线，表明其惰性和纯碳特征。PETGO的FT-IR谱图显示3300–3370 cm^-1的宽峰对应OH伸缩振动（水分子或羧基），1629 cm^-1的尖锐峰对应C=O键（酮基），1135 cm^-1和1029 cm^-1对应C-O伸缩振动（分别为酯基和环氧基），882、702、569和510 cm^-1对应C-H弯曲振动，证实了氧化石墨烯的形成。

**场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）**：通过不同放大倍数下的FE-SEM观察PETGO的表面形貌，2500倍下呈现类似海绵的多孔结构，3300倍下显示微小片状结构暗示碳片层的形成，8000倍和10000倍下清晰显示PETGO的层状和片状结构，层间略有无序，赋予氧化石墨烯多孔表面，适合CO₂吸附研究。

**能量色散X射线光谱（EDS）**：通过EDS分析PETGO的元素组成，碳和氧占最大百分比，构成氧化石墨烯的基本结构。检测到的痕量元素包括金（用于分析时导电涂层）、硫和锰（氧化试剂残留），确认了具有相当氧化程度的氧化石墨烯的形成。

**热分析**：TGA分析显示PETGO在约115 °C开始初始质量损失（水分蒸发），在850–936 °C范围内发生显著重量损失（氧官能团分解），其余温度范围内质量稳定，热稳定性主要归因于高度氧化的碳平面。DSC分析显示在约94 °C处有宽吸热峰，对应PETGO的玻璃化转变温度（Tg），低于文献报道的氧化石墨烯Tg值（约200 °C），但高于原料PET的Tg值（约79 °C），验证了其组成。

**电子顺磁共振（EPR）**：通过EPR光谱分析PETGO的磁性，曲线和单线验证了PETGO的磁特性。氧官能团形成的自由基负责氧化石墨烯的磁性。由于所用原料，PETGO未显示完美的顺磁曲线。

**应用——气体化学吸附分析**：通过TPD分析PETGO对CO₂的吸附性能，CO₂在常温下吸附30分钟，逐渐升温至700 °C。TPD图显示在约305 °C处有脱附峰，表明催化剂与气体之间形成稳定键合，峰强度表明表面吸附了大量二氧化碳。sp²碳和氧官能团的存在提供气体与催化剂之间成键所需的电子，高脱附CO₂量表明高反应表面积和电子相互作用。

**讨论与结论**

解决塑料消减是当代社会的重要议题。本研究不仅旨在消除塑料，还试图将其重新利用为具有经济价值的材料。研究人员通过催化石墨化和改进Hummer法成功将PET产品转化为氧化石墨烯。所得氧化石墨烯表现出优异的表征结果。FT-IR和SEM分析证实了氧化石墨烯的成功形成。EDS也证实了具有高碳和氧百分比的氧化石墨烯的形成。碳和氧的键合赋予PETGO独特的性质。EPR研究揭示了PETGO中磁性和顺磁行为的存在。PETGO的热稳定性卓越，在高温下表现出最小的降解。TPD图表明PETGO作为二氧化碳催化剂的潜在应用。