上海海洋大学于飞团队JCIS：聚丙烯衍生硫化铁/碳纳米花用于高性能电化学除氯

第一作者：倪津

通讯作者：于飞

通讯单位：上海海洋大学

论文DOI：10.1016/j.jcis.2025.139491

通讯作者邮箱：fyu@vip.163.com

研究背景

随着塑料制品（如聚丙烯PP）的广泛使用，废弃塑料的积累已造成严重的环境污染。将高含碳量的废塑料转化为功能性碳材料被认为是最具前景的回收策略之一。然而，现有的催化碳化方法通常需要使用腐蚀性酸液去除残留的金属催化剂，这不仅造成了资源的浪费，还会产生二次污染。另一方面，水体中的氯离子污染对工业生产和生态环境构成威胁，电容去离子（CDI）作为一种新兴脱盐技术备受关注，但传统碳电极的吸附容量有限。因此，开发一种既能高效利用废塑料，又能制备高性能CDI电极材料的绿色合成策略显得尤为重要。

本文亮点

A、采用二茂铁和硫作为双催化剂体系，成功将聚丙烯（PP）转化为FeS@碳纳米花。

B、系统研究了二茂铁和硫对碳纳米花直径及形貌的调控作用。

C、 FeS@碳纳米花展现出高达64.67 mg g⁻¹的优异脱盐能力，以及容量保持率超过90%的良好循环稳定性。

D、利用原位电化学石英晶体微天平（EQCM-D）技术，深入探究并揭示了氯离子的去除机理。

内容简介

本研究通过原位催化碳化策略，成功将聚丙烯塑料废弃物转化为具有高附加值的FeS@碳纳米花材料。在该体系中，二茂铁和硫不仅催化了塑料的碳化，还原位生成了FeS纳米颗粒并将其封装在多孔碳基质中。FeS作为法拉第材料显著增强了电荷存储能力，而硫掺杂则改善了碳骨架的导电性和润湿性。通过电化学石英晶体微天平（EQCM-D）技术，研究团队进一步揭示了FeS@碳纳米花中可逆的氯离子捕获机制。该工作为废塑料的资源化利用和高性能水处理材料的开发提供了一条绿色、可持续的新途径。

图文导读

图1：FeS@碳纳米花的原位催化合成与微观结构调控

本研究通过巧妙的“一锅法”策略实现了废塑料的高值化利用，图1(a)展示了FeS@碳纳米花的制备流程示意图：聚丙烯（PP）、二茂铁和升华硫经研磨混合后，在高温下通过原位催化碳化直接转化为功能材料。SEM图像揭示了催化剂配比对材料形貌的显著调控作用，图1(b-d)分别显示了不同配比（PFS-1, PFS-3, PFS-4）样品的微观形貌，结果表明二茂铁含量的增加会促进铁原子团聚从而增大纳米花尺寸，而硫含量的增加则有助于形成更细小的致密团簇。在优化比例（1:2:1）下，图1(e-g)清晰地呈现出由碳纳米片组装而成的三维花状簇结构（PFS-2），这种结构具有丰富的孔隙。进一步观察微观结构，图1(h-i)的TEM图像证实了FeS纳米颗粒被均匀包裹在碳骨架内部，且图1(j)的EDS元素分布图显示C、S、Fe三种元素分布高度均匀，证明了原位合成的成功。此外，图1(k)的小提琴图定量统计了碳纳米花的粒径分布，而图1(m)的XRD图谱则确认了FeS高结晶度物相的形成，这些结构特征共同为优异的电化学性能奠定了基础。

图2：电化学行为分析

为了探究材料的电化学特性，研究对比了不同样品的储能表现。图2(a-b)显示在不同扫速下，PFS-2电极的CV曲线积分面积最大，且在低扫速下出现明显的氧化还原峰，暗示了法拉第反应的存在。图2(c)的比电容变化曲线进一步证实PFS-2在所有测试倍率下均具有最高的比电容。动力学分析方面，图2(g)通过拟合峰值电流与扫速的对数关系，得出氧化峰和还原峰的b值分别为0.78和0.70，表明储能机制是由表面电容行为和扩散控制行为共同主导的混合模式。为了量化这一贡献，图2(h)区分了100 mV s⁻¹下的电容贡献与扩散贡献，图2(i)则直观展示了随着扫速增加，电容控制的贡献率逐渐占据主导地位，这得益于FeS提供的赝电容活性位点以及硫掺杂碳骨架带来的快速电子传输能力。

图3：电容去离子（CDI）脱盐性能与循环稳定性

在脱盐测试中，FeS@碳纳米花展现出卓越的性能。图3(a)的吸附动力学曲线显示，PFS-2电极在1.2 V电压下的盐吸附容量（SAC）高达64.47 mg g⁻¹（最高达65.31 mg g⁻¹），且吸附速率快，显著优于其他对比样品。图3(c-d)对比了不同截止电压下的平均SAC及能耗，结果表明1.2 V是平衡吸附容量与能效的最佳工作电压。当电压进一步升至1.4 V时，图3(e)显示其SAC反而因副反应和表面胶体的形成而下降。此外，图3(g)探究了不同初始浓度对吸附性能的影响，证实材料在宽浓度范围内均保持良好的除盐能力。更为重要的是，图3(i)的长循环测试结果表明，经过50次吸附-解吸循环后，PFS-2的容量保持率超过90%，证明该电极材料具有极佳的结构稳定性和再生能力。

图4：基于XPS与原位EQCM-D的除氯机理探究

本研究结合非原位表征与原位技术深入揭示了除氯机理。图4(a-d)的XPS光谱分析证实了电化学过程中的化学变化：吸附后 S 2p谱中Fe-S键特征峰消失且氧化态硫含量显著增加，同时Fe 2p谱显示Fe³⁺比例上升，表明Fe-S键断裂及Fe²⁺/Fe³⁺的可逆氧化还原反应提供了电子补偿以增强对Cl⁻的静电吸附。为了进一步阐明微观层面的质量传输机制，研究采用了原位EQCM-D技术作为“质量探针”。图4(e)展示了频率（f3）和耗散因子（D3）随电位扫描的实时响应。数据显示，当扫描速率大于或等于20 mV s⁻¹时，f3和D3均呈现出良好的周期性变化，且与CV曲线的峰值变化高度吻合，这表明PFS-2电极的质量和粘弹性质的变化是高度可逆的。具体而言，在0 V至-0.4 V的充电过程中，f3的下降指示电极质量增加，对应离子的扩散嵌入；而在-0.4 V至0 V的放电过程中，f3的变化趋势反转并恢复至初始值，证实了离子嵌入与脱出的可逆性。图4(f)进一步通过计算电极质量变化(Δm)详细解析了离子交换顺序：在还原过程初期（-0.4 V至0 V），观察到电极质量出现负变化，指示发生了Na⁺的脱附；随着还原反应的进行（0 V至0.8 V），电极质量转为正增长，表明发生了Cl⁻的吸附。反之，在氧化过程（0.8 V至-0.4 V）中，观察到相反的质量变化模式（先减小后增加），对应于Cl⁻的脱附和随后的Na⁺吸附。这一结果直接证实了在该电极表面，Na⁺的脱附优先发生，随后伴随Cl⁻的吸附，从而清晰地描绘了具体的除氯微观动力学路径。

总结与展望

本研究开发了一种无需酸洗的“一锅法”策略，将聚丙烯废塑料转化为高性能的FeS@碳纳米花CDI电极。该方法不仅解决了废塑料回收中的催化剂残留问题，还通过引入法拉第活性材料FeS显著提升了电极的除氯性能，为以废治废、开发可持续水处理材料提供了新思路。

文献链接：

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

关注环材有料视频号，提供会议、讲座等直播服务！

环材有料为广大环境材料开发研究领域的专家学者、研发人员提供信息交流分享平台，我们组建了环境材料热点领域的专业交流群，欢迎广大学者和硕博学生加入。

进群方式：扫下方二维码添加小编为好友，邀请入群。请备注：名字-单位-研究方向。

扫二维码添加小编微信，邀请入群，获得更多资讯