第一作者：倪津

通訊作者：于飛

通訊單位：上海海洋大學(xué)

論文DOI：10.1016/j.jcis.2025.139491

通訊作者郵箱：fyu@vip.163.com

研究背景

隨著塑料制品（如聚丙烯PP）的廣泛使用，廢棄塑料的積累已造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。將高含碳量的廢塑料轉(zhuǎn)化為功能性碳材料被認(rèn)為是最具前景的回收策略之一。然而，現(xiàn)有的催化碳化方法通常需要使用腐蝕性酸液去除殘留的金屬催化劑，這不僅造成了資源的浪費，還會產(chǎn)生二次污染。另一方面，水體中的氯離子污染對工業(yè)生產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境構(gòu)成威脅，電容去離子（CDI）作為一種新興脫鹽技術(shù)備受關(guān)注，但傳統(tǒng)碳電極的吸附容量有限。因此，開發(fā)一種既能高效利用廢塑料，又能制備高性能CDI電極材料的綠色合成策略顯得尤為重要。

本文亮點

A、采用二茂鐵和硫作為雙催化劑體系，成功將聚丙烯（PP）轉(zhuǎn)化為FeS@碳納米花。

B、系統(tǒng)研究了二茂鐵和硫?qū)μ技{米花直徑及形貌的調(diào)控作用。

C、 FeS@碳納米花展現(xiàn)出高達(dá)64.67 mg g?1的優(yōu)異脫鹽能力，以及容量保持率超過90%的良好循環(huán)穩(wěn)定性。

D、利用原位電化學(xué)石英晶體微天平（EQCM-D）技術(shù)，深入探究并揭示了氯離子的去除機理。

內(nèi)容簡介

本研究通過原位催化碳化策略，成功將聚丙烯塑料廢棄物轉(zhuǎn)化為具有高附加值的FeS@碳納米花材料。在該體系中，二茂鐵和硫不僅催化了塑料的碳化，還原位生成了FeS納米顆粒并將其封裝在多孔碳基質(zhì)中。FeS作為法拉第材料顯著增強了電荷存儲能力，而硫摻雜則改善了碳骨架的導(dǎo)電性和潤濕性。通過電化學(xué)石英晶體微天平（EQCM-D）技術(shù)，研究團(tuán)隊進(jìn)一步揭示了FeS@碳納米花中可逆的氯離子捕獲機制。該工作為廢塑料的資源化利用和高性能水處理材料的開發(fā)提供了一條綠色、可持續(xù)的新途徑。

圖文導(dǎo)讀

圖1：FeS@碳納米花的原位催化合成與微觀結(jié)構(gòu)調(diào)控

本研究通過巧妙的“一鍋法”策略實現(xiàn)了廢塑料的高值化利用，圖1(a)展示了FeS@碳納米花的制備流程示意圖：聚丙烯（PP）、二茂鐵和升華硫經(jīng)研磨混合后，在高溫下通過原位催化碳化直接轉(zhuǎn)化為功能材料。SEM圖像揭示了催化劑配比對材料形貌的顯著調(diào)控作用，圖1(b-d)分別顯示了不同配比（PFS-1, PFS-3, PFS-4）樣品的微觀形貌，結(jié)果表明二茂鐵含量的增加會促進(jìn)鐵原子團(tuán)聚從而增大納米花尺寸，而硫含量的增加則有助于形成更細(xì)小的致密團(tuán)簇。在優(yōu)化比例（1:2:1）下，圖1(e-g)清晰地呈現(xiàn)出由碳納米片組裝而成的三維花狀簇結(jié)構(gòu)（PFS-2），這種結(jié)構(gòu)具有豐富的孔隙。進(jìn)一步觀察微觀結(jié)構(gòu)，圖1(h-i)的TEM圖像證實了FeS納米顆粒被均勻包裹在碳骨架內(nèi)部，且圖1(j)的EDS元素分布圖顯示C、S、Fe三種元素分布高度均勻，證明了原位合成的成功。此外，圖1(k)的小提琴圖定量統(tǒng)計了碳納米花的粒徑分布，而圖1(m)的XRD圖譜則確認(rèn)了FeS高結(jié)晶度物相的形成，這些結(jié)構(gòu)特征共同為優(yōu)異的電化學(xué)性能奠定了基礎(chǔ)。

圖2：電化學(xué)行為分析

為了探究材料的電化學(xué)特性，研究對比了不同樣品的儲能表現(xiàn)。圖2(a-b)顯示在不同掃速下，PFS-2電極的CV曲線積分面積最大，且在低掃速下出現(xiàn)明顯的氧化還原峰，暗示了法拉第反應(yīng)的存在。圖2(c)的比電容變化曲線進(jìn)一步證實PFS-2在所有測試倍率下均具有最高的比電容。動力學(xué)分析方面，圖2(g)通過擬合峰值電流與掃速的對數(shù)關(guān)系，得出氧化峰和還原峰的b值分別為0.78和0.70，表明儲能機制是由表面電容行為和擴(kuò)散控制行為共同主導(dǎo)的混合模式。為了量化這一貢獻(xiàn)，圖2(h)區(qū)分了100 mV s?1下的電容貢獻(xiàn)與擴(kuò)散貢獻(xiàn)，圖2(i)則直觀展示了隨著掃速增加，電容控制的貢獻(xiàn)率逐漸占據(jù)主導(dǎo)地位，這得益于FeS提供的贗電容活性位點以及硫摻雜碳骨架帶來的快速電子傳輸能力。

圖3：電容去離子（CDI）脫鹽性能與循環(huán)穩(wěn)定性

在脫鹽測試中，F(xiàn)eS@碳納米花展現(xiàn)出卓越的性能。圖3(a)的吸附動力學(xué)曲線顯示，PFS-2電極在1.2 V電壓下的鹽吸附容量（SAC）高達(dá)64.47 mg g?1（最高達(dá)65.31 mg g?1），且吸附速率快，顯著優(yōu)于其他對比樣品。圖3(c-d)對比了不同截止電壓下的平均SAC及能耗，結(jié)果表明1.2 V是平衡吸附容量與能效的最佳工作電壓。當(dāng)電壓進(jìn)一步升至1.4 V時，圖3(e)顯示其SAC反而因副反應(yīng)和表面膠體的形成而下降。此外，圖3(g)探究了不同初始濃度對吸附性能的影響，證實材料在寬濃度范圍內(nèi)均保持良好的除鹽能力。更為重要的是，圖3(i)的長循環(huán)測試結(jié)果表明，經(jīng)過50次吸附-解吸循環(huán)后，PFS-2的容量保持率超過90%，證明該電極材料具有極佳的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和再生能力。

圖4：基于XPS與原位EQCM-D的除氯機理探究

本研究結(jié)合非原位表征與原位技術(shù)深入揭示了除氯機理。圖4(a-d)的XPS光譜分析證實了電化學(xué)過程中的化學(xué)變化：吸附后 S 2p譜中Fe-S鍵特征峰消失且氧化態(tài)硫含量顯著增加，同時Fe 2p譜顯示Fe3?比例上升，表明Fe-S鍵斷裂及Fe2?/Fe3?的可逆氧化還原反應(yīng)提供了電子補償以增強對Cl?的靜電吸附。為了進(jìn)一步闡明微觀層面的質(zhì)量傳輸機制，研究采用了原位EQCM-D技術(shù)作為“質(zhì)量探針”。圖4(e)展示了頻率（f3）和耗散因子（D3）隨電位掃描的實時響應(yīng)。數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)掃描速率大于或等于20 mV s?1時，f3和D3均呈現(xiàn)出良好的周期性變化，且與CV曲線的峰值變化高度吻合，這表明PFS-2電極的質(zhì)量和粘彈性質(zhì)的變化是高度可逆的。具體而言，在0 V至-0.4 V的充電過程中，f3的下降指示電極質(zhì)量增加，對應(yīng)離子的擴(kuò)散嵌入；而在-0.4 V至0 V的放電過程中，f3的變化趨勢反轉(zhuǎn)并恢復(fù)至初始值，證實了離子嵌入與脫出的可逆性。圖4(f)進(jìn)一步通過計算電極質(zhì)量變化(Δm)詳細(xì)解析了離子交換順序：在還原過程初期（-0.4 V至0 V），觀察到電極質(zhì)量出現(xiàn)負(fù)變化，指示發(fā)生了Na?的脫附；隨著還原反應(yīng)的進(jìn)行（0 V至0.8 V），電極質(zhì)量轉(zhuǎn)為正增長，表明發(fā)生了Cl?的吸附。反之，在氧化過程（0.8 V至-0.4 V）中，觀察到相反的質(zhì)量變化模式（先減小后增加），對應(yīng)于Cl?的脫附和隨后的Na?吸附。這一結(jié)果直接證實了在該電極表面，Na?的脫附優(yōu)先發(fā)生，隨后伴隨Cl?的吸附，從而清晰地描繪了具體的除氯微觀動力學(xué)路徑。

總結(jié)與展望

本研究開發(fā)了一種無需酸洗的“一鍋法”策略，將聚丙烯廢塑料轉(zhuǎn)化為高性能的FeS@碳納米花CDI電極。該方法不僅解決了廢塑料回收中的催化劑殘留問題，還通過引入法拉第活性材料FeS顯著提升了電極的除氯性能，為以廢治廢、開發(fā)可持續(xù)水處理材料提供了新思路。

文獻(xiàn)鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.jcis.2025.139491

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