镍辅助催化石墨化将PET废料转化为高性能锂离子电池碳负极材料

《Advanced Energy and Sustainability Research》：A Nickel-Assisted Catalytic Graphitization of PET Waste Into High-Performance Carbon Anodes for Lithium-Ion Batteries

　　

聚乙烯对苯二甲酸乙二醇酯（PET）废料的不断累积，激发了学界对将塑料废物转化为功能性碳材料的可持续策略的兴趣。研究人员通过镍（Ni）辅助催化石墨化将PET废料升级回收为结构有序碳。PET先在600?°C预碳化获得无定形碳前驱体，随后在1400?°C进行催化处理诱导结构有序化。结构分析显示，Ni辅助处理后石墨化有序度显著提升，（002）衍射峰锐化，层间距由0.374?nm降至0.343?nm；拉曼（Raman）光谱中ID/IG比由1.26降至0.51，进一步证实结构演变。作为锂离子电池（LIB）负极，Ni-PET-1400电极首圈可逆容量228.9?mAh?g?1，在0.2C下循环250圈后保持323.7?mAh?g?1，高电流密度下保留约79%初始容量。电化学性能增强归因于结构有序度与表面粗糙度的提升，促进了锂离子扩散并降低电荷转移电阻。该工作展示了将塑料废料转化为高附加值、结构有序储能碳材料的有效策略。

研究背景方面，塑料消费快速增长使不可降解PET废料大量堆积，引发严峻环境压力。将PET废料转化为高附加值碳材料可同时应对环境与能源挑战。商用锂离子电池（LIB）负极广泛采用碳材料，但聚合物直接热解所得碳呈高度无序无定形结构，导电性差、锂离子扩散动力学缓慢，且工作电位偏高，限制电芯能量密度。传统石墨化需2500?°C以上，能耗巨大；过渡金属Ni、Fe、Co可通过溶解–析出机制在较低温度促进石墨化，其中Ni因碳溶解度大、催化效率高而被重点关注。PET含碳量高、具芳香酯骨架，热解易形成sp²碳域，是理想前驱体，但常规热处理产物仍偏无定形。因此，低温可控石墨化PET衍生碳成为关键难题。

《Advanced Energy and Sustainability Research》刊发的该文，研究人员提出一条镍辅助催化石墨化路线：PET废料经水洗干燥后600?°C氩气预碳化得无定形碳，引入乙酰丙酮镍（Ni(acac)₂，C:Ni质量比2:1）使Ni物种均匀分散，1400?°C氩气退火原位生成金属Ni纳米颗粒催化石墨化，硝酸酸洗除Ni得纯化产物Ni-PET-1400；对照样PET-1400为不加Ni直接1400?°C退火。结论表明，该方法在1400?°C即实现局部石墨域生长，层间距逼近理想石墨，显著改善导电与储锂行为，为塑料废低碳升级回收提供新路径。

主要关键技术方法如下：以废弃PET瓶片为唯一碳源样本，依次采用低温预碳化锁定无定形骨架、Ni(acac)₂溶液浸渍实现催化剂前驱体均布、高温惰性气氛催化石墨化、酸浸去除残余Ni四类单元操作；材料端联用X射线衍射（XRD）、拉曼光谱、Brunauer–Emmett–Teller（BET）比表面积、扫描电镜（SEM）、透射电镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）表征结构；电化学端组装CR2032扣式半电池（锂片对极），进行恒流充放电、倍率测试与电化学阻抗谱（EIS）。

研究结果各节要点如下。晶体结构分析（XRD与Raman）显示PET-1400的（002）峰宽化、d₀₀₂=0.374?nm、I_D/I_G=1.26，Ni-PET-1400出现尖锐（002）峰位于26.15°、伴生（101）（004）反射，d₀₀₂降至0.343?nm、I_D/I_G=0.51，证实Ni催化大幅提升石墨有序度与sp²域尺寸。形貌与微结构（SEM/TEM/BET）表明PET-1400颗粒大且表面致密、比表面积2.9?m²?g^?1，Ni-PET-1400粒径分布变宽、表面粗糙、残Ni约1.0?wt.%、比表面积升至122.4?m²?g^?1，TEM可见清晰石墨晶格条纹。表面化学（XPS C 1s）显示Ni-PET-1400的sp²?C占比显著上升、sp³?C下降，印证无定形向有序石墨域转变。电化学初圈与dQ/dV分析中，PET-1400首圈脱锂150.3?mAh?g^?1（ICE 74.3%），曲线以斜坡为主；Ni-PET-1400首圈脱锂228.9?mAh?g^?1（ICE 51.5%，因高比表面致SEI增厚），出现<0.2?V低电平台与多级脱嵌峰，呈现类石墨阶变储锂。长循环（0.2C，250圈）中PET-1400可逆容量205.3?mAh?g^?1，Ni-PET-1400达323.7?mAh?g^?1且极化减小。倍率测试（0.1C–10C）Ni-PET-1400高倍率保容约79%，回0.2C容量恢复，电压滞后小。EIS显示Ni-PET-1400电荷转移电阻R_CT与SEI电阻更低，低频Warburg斜率更陡，锂离子扩散系数D_Li⁺更高。

讨论部分总结：Ni纳米颗粒经溶解–析出在碳基体局部诱导石墨层生长，既降低层间距又因颗粒脱除留下粗糙多孔表面，双因素协同提升电子传导、电解液浸润与锂离子迁移；低缺陷密度压低脱锂电位，利于全电池电压与能量密度。酸洗后残Ni极低，避免金属副反应。该路线相较>2500?°C传统石墨化节能显著，且以废料为唯一碳源，具备环境与工程双重价值。

结论部分原文翻译：本工作中，废弃PET通过镍辅助催化石墨化成功升级回收为结构有序碳。预碳化结合Ni催化剂高温处理，使PET衍生无定形碳转变为结构更有序材料。XRD与拉曼证实Ni-PET-1400层间距缩小、缺陷密度降低；SEM显示催化过程产生更粗糙表面以利电化学性能。Ni-PET-1400负极较PET-1400具更高容量、更优倍率与稳定长循环，归因于石墨域形成增强导电与锂离子传输，EIS印证电荷转移电阻降低与Li⁺扩散改善。该研究为塑料废料转化为高附加值有序碳提供有效策略，Ni催化石墨化兼具可持续升级回收与功能碳材料开发前景。