莱斯大学团队以低成本方法将塑料垃圾“变废为宝”，转化为捕捉二氧化碳的吸附剂

当前，温室气体排放与塑料污染是人类面临的两个严峻的环境问题，目前世界各国都在积极解决这两个问题。为此，联合国政府间气候变化专门委员会（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）也在最新发布的报告《气候变化 2022：减缓气候变化》中明确提出全球“碳达峰”的具体要求。

该报告指出，“为了将全球变暖限制在 2015 年《巴黎协定》中提出的比工业化前高 1.5℃ 的水平，全球温室气体排放最迟需要在2025年达到峰值，并在 2030 年之前减少 43%，同时将甲烷排放减少约三分之一。”

（来源：莱斯大学）

近日，美国莱斯大学研究团队在多孔材料捕集二氧化碳方面收获了新的科研成果。他们采用乙酸钾（Potassium acetate）作为催化剂，将废弃塑料转化为用于捕获二氧化碳的活性炭，为有效地缓解塑料污染与温室气体的双重环境问题提供了新的方案。

4 月 5 日，相关论文以《用废弃塑料衍生材料中的纳米孔捕集二氧化碳》（Plastic Waste Product Captures Carbon Dioxide in Nanometer Pores）为题发表在 ACS NANO 上 [1]。

该论文共同第一作者为莱斯大学化学系博士瓦拉·阿尔戈泽布（Wala A. Algozeeb）、研究生保罗·萨瓦斯（Paul E. Savas）、博士后研究员元喆，通讯作者是莱斯大学化学系教授詹姆斯·图尔（James M. Tour）。

“这种废弃塑料衍生材料可以用于处理发电厂产生的烟道气，以防止二氧化碳进入大气，”图尔对媒体表示，“这是在解决一个问题（塑料废物）的同时解决另一个问题（二氧化碳排放）的好方法。”

将塑料废弃物热解是处理塑料污染的化学方法之一，但是热解的固态产物通常没有实用价值。在该工作中，研究人员在塑料热解时采用乙酸钾作为催化剂，将部分塑料转化为了多孔的活性炭。该活性炭具有丰富的宽度为 0.7-1.4 纳米的微孔，适合吸附二氧化碳。同时，在该材料的制作过程中，还会产生一种蜡副产品，而该产品也能用于洗涤剂或润滑剂的回收。

“在以往的工艺中，通常会在塑料热解过程中产生油、气体和蜡，但不包括固态碳副产品。在乙酸钾的参与下，塑料转化成为的活性炭在室温条件下，能够容纳高达自身重量 18% 的二氧化碳。”图尔表示。

（来源：ACS NANO）

元喆在该工作中主要负责探索相关反应机理，以及对工艺细节方面的勘误。他认为，该工作最大的亮点在于该团队开发了一种简洁的、由各类塑料生成活性炭的制备方法。与其他的活性炭制备方法相比，该技术的优势在于腐蚀性更低、更安全以及适用的塑料种类更广泛。

具体来说，在以往研究中，氢氧化钾通常被用作制备活性炭的活化剂，但它具有腐蚀性，并且不利于人类健康。而采用乙酸钾作为活化剂，腐蚀性明显降低。

图丨从左至右依次为：保罗·萨瓦斯（Paul E. Savas）、詹姆斯·图尔（James M.Tour）和元喆（来源：莱斯大学）

此外，在本研究中，活性炭的制备温度是 600℃，与以往研究相比温度较低，还避免了钾单质的生成（750℃ 以上），从而更加安全。

元喆指出，该方法适用的塑料种类范围广，几乎可覆盖包括城市垃圾主要成分的所有塑料种类。相比之下，氢氧化钾只能用于PET（Polyethylene Glycol Terephthalate，聚对苯二甲酸乙二醇酯），PVC（Polyvinyl Chloride，聚氯乙烯）等有限种类塑料。

图丨保罗·萨瓦斯（Paul E. Savas）将塑料送入破碎机，为热解或在惰性气氛中加热做准备（来源：莱斯大学）

值得关注的是，PET 和 PVC 是大宗塑料中的特例。其中，PET 具有较高的氧含量，而 PVC 具有氯元素，可以将氢元素以水或氯化氢的形式带走，从而实现塑料的炭化。而其他塑料的炭化则非常困难，需要催化剂的帮助，而我们的科学贡献就在于找到了这种催化剂。

据莱斯大学团队估算，这种从燃烧后烟气等点源捕获二氧化碳的方法在成本方面具备优势，仅是其他方法的八分之一至四分之一。据该论文，“从燃烧后烟气等点源捕获二氧化碳的成本为每吨 21 美元，而传统的胺吸附工艺，每吨成本在 80 到 160 美元。”

据悉，该工作进一步研究还在持续进行中。目前，该技术持有知识产权，并已授权 H2 Blue 公司进行相关研发，并已于多家化工企业讨论投资与合作可能性。

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参考：
https://news.rice.edu/news/2022/treated-plastic-waste-good-grabbing-carbon-dioxide
https://report.ipcc.ch/ar6wg3/pdf/IPCC_AR6_WGIII_FinalDraft_Chapter01.pdf
1.Wala A. Algozeeb, Paul E. Savas, Zhe Yuan et al. ACS NANO(2022). https://doi.org/10.1021/acsnano.2c00955