第一作者：Xiaoguang Liu

通讯作者：Xuecheng Chen, Xi Zhao, and Tao Tang

通讯单位：West Pomeranian University of Technology Szczecin, Chinese Academy of Sciences, and Jilin University

DOI：10.1016/j.carbon.2020.09.057

【研究背景】

因具有优异的机械柔韧性和高的比表面积，二维炭纳米片备受关注。目前炭纳米片主要通过化学气相沉积法、溶剂热法、化学剥离法及模板法等制备而成。此类制备方法工艺复杂、耗时较长且需要大量的化学试剂，导致炭纳米片的制备成本较高且产率低下。因此研发一种可大规模制备炭纳米片的简便方法意义重大。各种塑料制品是人们日常生活不可或缺的一部分，但因欠缺有效的废弃物管理方法，随意丢弃的废弃塑料对环境产生了严重的污染，而填埋或焚烧等方法更不可取。因此探索有效的废弃塑料处理方法具有重要的研究价值。因具有高的含碳量，废弃塑料可被加工转化为应用价值较高的炭材料，但目前此方面的研究受限于缺少高效的催化剂。

【成果简介】

中科院长春应化所唐涛研究员和陈学成副研究利用废塑料转化为碳纳米薄片，以实现出色的电容性能量存储，相关论文以“Highly efficient conversion of waste plastic into thin carbon nanosheets for superior capacitive energy storage”为题发表在《Carbon》上。

以废弃的聚丙烯塑料为前驱体，二茂铁和硫为催化剂，在较低的催化剂/聚丙烯质量比（n=0.67）下，经碳化处理成功制备了高产率（62.8%）、厚度为4-4.5 nm的二维炭纳米片（CNS）。再对其进行KOH活化处理可制备出具有高比表面积（3200 m2/g）和发达孔结构（总孔容为3.71 cm3/g）的层次孔炭纳米片（ACNS）。对ACNS进行电化学性能评估，以6 M KOH水溶液为电解液，其在0.5 A/g电流密度下的比电容可达349 F/g，当电流密度增加到20 A/g时，比电容仍有262 F/g，在5 A/g的电流密度下循环10000次电容保持率为99%。以1 M Li2SO4水溶液为电解液组装对称型超级电容器，电压窗口可达1.8 V，在225 W/kg的功率密度下，能量密度可达23 Wh/kg，在10 A/g的电流密度下循环10000次电容保持率为92%。ACNS基超级电容器优异的电化学性能与以下因素有关：（1）高的比表面积增加了电解液离子的吸附位点，有利于获得高的比电容；（2）二维结构有利于电解液离子在纳米炭片表面的快速移动；（3）介/大孔结构缩短了电解液离子的扩散路径；（4）含氧官能团的存在提高了电极活性材料的润湿性。

【图文解析】

要点1：催化剂二茂铁和硫同时存在方可制备出高产率的二维炭纳米片，在温度高于400 ℃时，聚丙烯逐渐分解为有机分子，同时在高温条件下二茂铁分解为铁粒子和环戊二烯。铁粒子不仅加速了聚丙烯的脱氢和芳构化，还促进有机分子向碳原子的转化。高压硫蒸气还与铁粒子反应生成大量的Fe7S8，Fe7S8会被碳原子覆盖，降低了Fe7S8纳米颗粒的表面能并抑制其连续生长，而碳原子则生长为炭纳米片，如图1所示。

图1 以废弃塑料为前驱体制备Fe7S8/CNS复合材料的流程图

要点2：当只有二茂铁作为催化剂时，仅得到无定型炭和含铁物质，这与铁粒子的团聚和弱的催化活性有关。当仅以硫作为催化剂时，仅有少量的片状炭材料生成。炭纳米片的详细表征如图2所示。

图2 Fe7S8/CNS复合材料的表征：XRD图（a），TEM图像（b），高分辨TEM图像（c）及TGA曲线（d）；CNS的表征：SEM图像（e），TEM图像（f），高分辨TEM图像（g）及AFM图像（h）

要点3：对二维炭纳米片CNS用不同质量的KOH进行活化，可以制备出高比表面积、孔结构发达、具有一定缺陷和含氧官能团的ACNS。详细表征如图3-5所示。

图3 ACNS-4的TEM图像（a–b）和高分辨TEM图像（c）

图4 XRD图（a）和Raman图（b），CNS（c）和ACNS-4（d）的C 1s高分辨谱

图5 样品的氮气吸/脱附曲线（a）和孔径分布图（b）

要点4：对ACNS进行三电极电化学性能测试。ACNS-4优异的电化学性能与其较高的比表面积、层次孔结构、以及二维片状形貌密切相关。以ACNS-4为电极活性材料组装的对称型超级电容器同样具有优异的电化学性能。详细表征如图6-8所示。

图6 样品的电化学性能：CV曲线（a），GCD曲线（b），比电容与电流密度的关系曲线（c），以及在5 A/g下的循环性能（d）

图7 样品的Nyquist曲线（a），ACNS-4的等效电路图及拟合数据（b），Z’和ω-1/2的关系图（c）以及Bode图（d）

图8 以1 M Li2SO4为电解液、ACNS-4为电极活性材料的对称型超级电容器的电化学性能：CV曲线（a），GCD曲线（b），能量密度与功率密度的关系图（c），在10 A/g下的循环性能和库伦效率（d），对称型超级电容器的组装示意图以及电解液离子在电极活性材料中的运动示意图

【结论与展望】

本文以废弃的聚丙烯塑料为碳源，二茂铁和硫为催化剂，经碳化制备了高产率（62.8%）、厚度为4-4.5 nm的二维炭纳米片（CNS）。再对其进行KOH活化制备了具有高比表面积（3200 m2/g）和发达孔结构（总孔容为3.71 cm3/g）的层次孔炭纳米片（ACNS）。ACNS和以其为电极活性材料组装成的对称型超级电容器均表现出了优异的电化学性能。本研究将废弃塑料转化为高附加值的炭材料并探索了其在储能方面的应用，具有一定的参考价值。