北京化工大學潘軍青教授Materials Today Sustainability綜述丨廢輪胎衍生的多功能碳納米材料的最新進展

成果簡介

廢輪胎的大量積累不僅導致土地資源的嚴重浪費，還會帶來一系列環境污染問題，如引發火災、污染地下水資源、蚊蟲滋生等。目前，在眾多已公布的廢輪胎處理技術中，裂解被視為一種最為徹底、高效且環保的方法，即在缺氧環境下對廢輪胎進行高溫處理，裂解過程主要產生裂解氣、裂解油、鋼絲以及大量殘留的碳質物質—裂解炭黑。在眾多裂解產品中，裂解氣可為整個熱裂解過程提供能源，裂解油是附加值最高的產品，可作為燃料油出售或進一步加工后作為化學原料，分離出來的鋼絲可作為合金原材料，但裂解炭黑產品由于灰分含量高、結構度低、粒徑分布寬，表面活性差等，嚴重限制了其進一步應用，這反過來也阻礙了整個輪胎裂解行業的持續發展。鑒于此，北京化工大學潘軍青教授團隊在Materials Today Sustainability發表了題為“Recent developments of waste tires derived multifunctional carbonaceous nanomaterials”的綜述性文章。第一作者為蔣國賽博士生，通訊作者為潘軍青教授和吳玉鋒教授。

本文首先對廢輪胎裂解炭黑的形成機制及裂解過程對裂解炭黑性質的影響規律進行了介紹。進一步地，對裂解炭黑改性研究的最新進展進行了回顧，主要涉及裂解炭黑的脫礦、孔道結構構筑以及表面性質調控。之后，關于目前裂解炭黑在能源材料、橡膠補強及其它方面的應用也進行了介紹。最后，本文對裂解炭黑在未來的發展趨勢和所面臨的挑戰進行了分析，以期望公眾對裂解炭黑及輪胎裂解行業有深入的了解，吸引更多同行的關注，促進廢輪胎衍生碳渣在各領域中的高值化利用。

綜述目錄和內容具體如下：

1. 前沿
2. 廢輪胎裂解及裂解炭黑性質
2.1 廢輪胎裂解機理
2.2 裂解條件
2.3 裂解炭黑性質
3. 高質量裂解炭黑回收
3.1 脫礦
3.2 孔道調節
3.3 化學表面性質調控
4. 再生炭黑功能性應用
4.1 能量存儲與轉化材料
4.1.1 超級電容器
4.1.2 電池
4.1.3 催化劑
4.2 橡膠補強
4.3 其它領域
4.3.1 吸附劑
4.3.2 瀝青改性劑
4.3.3 油墨
4.3.4 碳量子點
5. 結論與展望

圖1 輪胎行情、廢輪胎研究現狀及廢輪胎衍生碳材料綜述結構圖

圖2 廢輪胎裂解機理

圖3 裂解炭黑脫礦

圖4 裂解炭黑孔道調節

圖5 裂解炭黑化學表面性質調控

圖6 裂解炭黑在能量儲存中的應用

圖7 裂解炭黑在能量轉化中的應用

圖8 裂解炭黑在橡膠補強中的應用

圖9 裂解炭黑在吸附、瀝青改性及油墨中的應用

結論與展望

廢輪胎熱裂解技術是解決這一黑色污染并實現碳資源回收的有效手段，裂解炭黑的高值化對于實現該固廢產物的資源化利用和推動廢輪胎裂解行業的發展具有積極作用，符合“雙碳”目標。裂解炭黑的高灰分含量極大限制了其進一步應用，脫礦后的裂解炭黑已被證明可以部分替代商品炭黑，可實現較高的經濟價值，但目前高純裂解炭黑濕法回收工藝仍處于初級階段，存在成本高、污染嚴重等問題。裂解炭黑的孔結構和表面性質調控可實現其功能化應用，如作為超級電容器電極材料或負載活性金屬催化劑的基底材料等，改性方式取決于具體應用領域以及加工成本等綜合因素，但裂解炭黑由于成分復雜、原材料質量波動大、改性成本高等，深加工技術仍有待進一步開發。

裂解炭黑在未來的發展趨勢總結如下：首先，需探索更為有效、符合原子經濟的脫礦方法，構建可循環母液的清潔回收工藝，發展綠色、經濟的高純裂解炭黑脫礦技術。其次，根據粒徑特征對裂解炭黑進行分級回收，可通過上游廢輪胎按部位裂解處理和下游裂解炭黑篩分處理。接下來，建立再生炭黑（改性后的裂解炭黑）行業標準，以保證再生裂解炭黑的質量穩定。輪胎全生命周期智能定位及輪胎制造商生產延生責任制也是一種有價值的探索。最后，鑒于裂解炭黑獨特的結構特征，開發裂解炭黑的新應用和產業化，推動整個輪胎資源的閉環可持續發展，實現裂解炭黑的多元化應用。

文獻信息

Jiang, J. Pan*, K. Che, W. Deng, Y. Sun, Y. Wu*, H. Yuan, J. Gu, Y. Gu, W. Zhang, M. Zhao, Y. Chen, Recent developments of waste tires derived multifunctional carbonaceous nanomaterials, Mater. Today Sustain. 2023, 24, 100576.

原文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.mtsust.2023.100576