反应诱导的 Ni/C 工作界面实现过程强化的微波等离子体将富含聚烯烃的塑料废弃物增值利用为富氢气体和石墨化碳纳米材料

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Reaction-Induced Ni/C Working Interface Enables Process-Intensified Microwave-Plasma Valorization of Polyolefin-Rich Plastic Wastes into H 2-Rich Gas and Graphitized Carbon Nanomaterials

　　

摘要

塑料废物，特别是富含聚烯烃的一次性塑料，由于其化学稳定性和有限的可降解性，成为在陆地和水生环境中积累的持久性固体废物。因此，将这些废物快速转化为有用产品对于塑料废物管理以及将产品分布从低价值凝缩油中转移出来至关重要。本文开发了一种可重构的 Ni/NiO 线状前驱体，用于聚乙烯和代表性消费后塑料的微波等离子体转化。首先在金属 Ni 线上生长一层致密的 NiO 纳米片壳，随后在还原性和富碳的微波等离子体环境下进行还原并与源自塑料的石墨碳耦合，形成反应诱导的 Ni/C 工作界面。重构后的界面促进了微波能耗散、等离子体活化、烃类脱氢以及碳纳米管的成核/生长。在 350 W 微波照射 15 s 下，r-Ni/C 界面实现了 83.63 vol% 的 H₂浓度，53.25 mmol g^-1 _plastic 的 H₂产率，以及 92.37% 的氢效率。油相比例降至 4.19 wt%，而气相和固相比例分别达到 54.24 和 41.57 wt%。同时，源自塑料的碳被转化为平均外径为 26.0 ± 5.1 nm 且 I_D/I_G 值为 0.538 的石墨化碳纳米管。重构后的界面在 20 次循环后仍保持了 48.84 mmol g^-1 _plastic 的 H₂产率。使用消费后 PE 薄膜、源自 PP 口罩的非织造层和 PS 泡沫的测试进一步证明了该策略对原料的依赖性适用性。本研究提出了一种反应诱导的工作界面策略，用于将持久性塑料废物快速转化为富 H₂气体和石墨化碳纳米材料。

章节摘要

引言

塑料生产和消费的持续增长导致塑料废物在垃圾填埋场、土壤、河流和海洋环境中广泛积累。由于其稳定的共价骨架和缓慢的自然降解，大多数商品塑料可在环境中存在很长时间，导致微塑料形成、生态压力、资源损失和碳管理挑战 [1], [2], [3], [4]。机械回收仍然是一条重要的途径

催化剂制备

使用商业 Ni 线作为起始材料。Ni 线长 4 cm，直径 1 mm。使用前，将线依次在丙酮、乙醇和去离子水中超声，然后干燥以去除表面油脂和杂质。NiO 纳米片壳修饰的 Ni/NiO 线状前驱体通过空气热氧化制备。具体而言，清洁后的 Ni 线置于马弗炉中，在空气中以 10 °C min^-1 的升温速率加热到 700 °C，保持 3 h，

Ni/NiO 前驱体反应诱导重构为 Ni/C 工作界面

Ni 线被设计为一种可重构的线状前驱体，以在同一界面区域耦合微波能量局域化、等离子体点火和催化碳生长，遵循最近的强调局域能量输入和稳定催化界面的场辅助塑料升级回收概念 [57], [58], [59]。如图 1a 所示，原始 Ni 线具有光滑致密的表面，是金属基底的特征。在空气中 700 °C 煅烧 3 h 后，外层

结论

总之，我们开发了一种基于反应诱导 Ni/C 工作界面的塑料废物转化快速微波等离子体策略，以聚乙烯为模型原料，以代表性消费后塑料进行实际验证。Ni/NiO 线状前驱体是通过在金属 Ni 线上生长 NiO 纳米片制备的，并在聚乙烯转化过程中产生的还原性和富碳等离子体环境下进一步原位重构。在此过程中，NiO

CRediT 作者贡献声明

缪迎春： 监督，资金获取。 肖苏宁： 写作 - 审查与编辑，监督，调查，资金获取，概念化。 耿嘉斌： 软件。 马程程： 可视化。 郑浩： 写作 - 原稿，软件，形式分析，数据管理。 徐洋： 可视化，数据管理。

竞争利益声明

作者声明以下财务利益/个人关系，可能被视为潜在的竞争利益：肖苏宁报告说得到了中国国家自然科学基金的财务支持。肖苏宁报告说得到了上海市科学技术委员会的财务支持。如果有其他作者，他们声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能出现在

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（22106105）、云南大学协同创新中心（曲靖绿色光伏产业协同创新中心）以及云南省科学技术厅科技人才与平台计划项目（202305AF150088, 202405AF140016）的支持。我们感谢上海理工大学仪器分析中心提供的设施，以及科学和

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上海理工大学材料与化学学院，中国上海 200093