《Journal of Analytical and Applied Pyrolysis》：Preparation of carbon nanotubes by catalytic pyrolysis of waste plastics coupled with chemical vapor deposition: Status and challenges
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塑料废弃物资源化与碳纳米管制备技术研究综述，通过对比传统回收方法，提出催化热解耦合化学气相沉积（CVD）新技术，实现塑料高效转化与低成本碳纳米管规模化生产，其产物在电化学储能领域展现应用潜力，为双碳目标下固废资源化提供创新路径。
朱华强|张星|周慧|严亮|邱冰冰
安徽工业大学能源与环境学院，马鞍山243002，安徽，中国
摘要
塑料的大量消费引发了需求的持续增长，从而导致大量塑料废物的积累。传统塑料回收技术的局限性和低效率引发了环境问题和经济损失，这些问题依然十分严重。通过化学气相沉积（CVD）技术将塑料废物的催化热解与碳纳米管（CNTs）的制备相结合，不仅实现了塑料废物的有效利用，还为工业规模、低成本生产CNTs开辟了新途径，带来了环境和经济效益。本文比较了几种常见的回收方法，强调了催化热解的优越性，并深入分析了典型聚合物的热解特性。同时，还选择了能够有效促进CNT生长的合适催化剂、反应器和碳源。本文重点介绍了CVD方法下的CNT生长机制，并列举了四种常见的生长方式。此外，还讨论了CNT的后续纯化过程，该过程需要结合物理和化学方法才能高效完成。最后，探讨了源自废物的CNT在电化学储能领域的再利用潜力，为结合塑料废物循环经济与高性能碳材料发展的绿色制备技术提供了有价值的参考和创新思路。
引言
作为一种成本效益高、重量轻且耐用的替代品，塑料在许多应用中发挥了关键作用，取代了木材、金属和陶瓷等传统材料。它广泛应用于包装、建筑和医疗保健等领域的消费品制造中，显著提高了人类生活质量[1]。然而，全球每年产生的塑料废物量巨大，其中大部分未能得到有效回收和处理，导致了资源浪费和环境污染。在“2030年达到碳排放峰值、2060年实现碳中和”的宏伟战略目标背景下，结合全面的废物分类政策，有效利用有机固体废物成为实现双碳目标的关键途径[2]。材料回收和再利用已被证明可以减少污染、节约资源、降低能耗并促进可持续发展。传统的塑料废物回收方法（如填埋、焚烧和机械回收）在有效利用塑料废物方面效果不佳，而且这些方法还存在二次污染的风险。然而，作为潜在的碳源材料，塑料废物可以通过催化热解过程高效转化为高附加值产品，如燃料油、芳香化合物、氢气和碳纳米管（CNTs）[3] [4]。这一过程不仅实现了塑料废物的高价值利用，还降低了CNT合成的成本，为实现绿色可持续发展目标和碳中和提供了新途径[5]。
自1991年科学家饭岛进发现碳纳米管（CNTs）以来[6]，由于其独特的结构特性和广泛的应用潜力，它们在科学界引起了广泛关注[7]。CNTs是由类似石墨的平面碳环卷曲形成的一维管状结构。该材料的主要成分是sp2杂化的碳原子，其中含有少量sp3杂化的碳原子。根据壁数不同，CNTs可分为三类：单壁碳纳米管（SWCNTs）、双壁碳纳米管（DWCNTs）和多壁碳纳米管（MWCNTs）。作为一种新型纳米材料，CNTs具有高表面积、化学稳定性、出色的电导率和热导率以及优异的机械强度和刚性。这些特性使其适用于复合材料增强、纳米电子学、传感、场发射、组织工程、能量存储、催化和废水处理等多个领域[8] [9] [10] [11] [12]，如图1所示。
CNTs为新型材料的开发及CNT增强复合材料的探索奠定了基础，在快速发展的21世纪具有巨大的商业应用前景[18]。此外，研究表明，当CNTs与高容量电极材料结合时，可以制备出可控尺寸的纳米颗粒。填充材料的电化学活性可以提高理论可逆容量，并且在电化学循环过程中结构稳定。这使得纳米复合材料具有低过电位、高能量效率和良好的循环稳定性。预计这种材料将成为新型高效锂离子电池阳极[19]。胡等人[20]将CNTs与强芳香纳米纤维（ANFs）和疏水性氟碳（FC）树脂结合，制备出了多功能气凝胶薄膜。所得到的混合气凝胶薄膜具有较大的比表面积、高导电性和优异的疏水性。阿里等人[14]通过混合、洗涤、干燥和还原四阶段工艺制备了Ru/CNT催化剂。利用多种分析方法和超临界水气化实验发现，负载0.5 wt%钌的CNT催化剂在生物质超临界水气化过程中表现出更高的活性和稳定性，为生物质气化提供了一种新型催化剂选择。
目前，制备CNTs的常用方法包括电弧放电法[21]（在惰性气体环境中通过石墨电极施加电流产生电弧，使碳原子在阴极上沉积）；激光蒸发法[22]（高温激光照射石墨靶材使其蒸发，碳原子在低温区域凝结）；火焰法[23]（在烃类气体燃烧过程中添加催化剂以促进碳原子聚集）；以及化学气相沉积（CVD）[24]（在催化剂作用下高温分解烃类气体，碳原子在催化剂表面沉积和生长）。Sangram等人[25]通过催化化学气相沉积（CCVD）结合沸石负载催化剂涂层技术，合成了含有大量MWCNTs的多孔氧化铝陶瓷复合材料。这种新方法为开发下一代高强度和坚韧材料铺平了道路。正如Chen等人[26]在其综述中指出的，以CVD为核心方法，利用乙醇或甲烷作为碳源，通过催化剂设计、基底工程、生长条件控制和后处理技术，可以实现SWCNTs的定向排列、导电类型分离和手性控制，从而制备出结构可控的高性能纳米材料，适用于纳米器件应用。这表明CVD方法不仅有助于制备高性能CNTs，还允许使用各种形式的碳前体（如固体、液体或气体）来生长不同类型的CNTs[27]。然而，由于初始三种制备方法的产率低、能耗高且反应条件难以控制，它们很少用于大规模CNT生产。传统的CVD方法依赖高纯度烃类气体作为碳源，这一特性直接增加了工业应用的成本。通过催化热解塑料可以生成高质量的烃类混合物。将这一过程与CVD结合，利用塑料废物作为碳源合成CNTs，不仅解决了塑料废物积累带来的环境问题，还克服了对高纯度碳源的依赖。这种方法扩展了催化热解技术的应用范围，为固体废物资源利用和先进碳材料生产提供了关键技术支持。
本文综述了塑料废物回收方法的比较、热解特性分析、CNT生长机制、催化剂和反应器的选择、纯化过程以及电化学应用。提出了催化热解与CVD的协同策略。通过突破单一技术瓶颈，实现了塑料废物的高价值利用和CNTs的绿色制备，克服了传统热解技术仅限于燃料/化学原料的局限性，验证了源自塑料废物的CNTs在电化学领域的应用潜力，推动了“塑料废物高性能材料”转化技术的实际应用，为全球塑料污染控制和碳循环经济发展提供了新的解决方案。
章节片段
塑料废物回收与催化热解的特性分析
随着全球塑料废物的不断积累，如何高效回收塑料已成为亟待解决的问题。开发高效且环保的塑料废物回收方法尤为重要。催化热解技术已成为塑料废物回收的重要发展方向。将其与CVD方法结合使用，不仅可以减少二次污染
CNTs生长的反应途径
通过催化热解与CVD结合制备CNTs的过程大致分为三个步骤：首先，在加热条件下塑料发生热解，产生小分子碳源气体；其次，碳源气体吸附在催化剂表面并发生分解，形成碳自由基；最后，碳自由基在催化剂表面沉积并生长为CNTs。用于应用的源自塑料废物的CNTs
通过热解和CVD技术结合制备的CNTs在多个领域展现出多样化的应用前景，特别是在电化学领域。通过催化热解过程，可以将塑料废物转化为具有高比电容、优异能量密度和良好循环稳定性的先进CNT材料结论
将热解与CVD结合制备CNTs的过程不仅减轻了与塑料废物相关的环境问题，还促进了资源回收，为实现“双碳”目标（碳排放峰值和碳中和）提供了有前景的技术途径。在传统塑料废物回收中，催化热解因其众多优势而被广泛认为是最佳解决方案
CRediT作者贡献声明
朱华强：撰写——初稿撰写、监督、项目管理、概念构思。邱冰冰：撰写——初稿撰写、数据整理。张星：撰写——初稿撰写。周慧：方法学设计。严亮：数据整理。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号52476096）、安徽省自然科学基金（编号2008085J25）和安徽省高校自然科学研究项目（编号KJ2020ZD29）的支持。
利益冲突
作者声明他们没有已知的可能会影响本研究工作的财务利益或个人关系。
