升级改造低密度聚乙烯(LDPE)：将塑料废弃物转化为高价值石墨

来自 实验室仪器网

研究人员介绍了一种将低密度聚乙烯(LDPE)升级改造成高结晶石墨的新方法。这种方法解决了塑料废弃物带来的环境挑战，同时生产出适用于先进技术应用的碳材料。发表在《先进科学》。

塑料废物，尤其是低密度聚乙烯(LDPE)，由于其广泛使用和低回收率（目前全球回收率估计约为4%），仍然是一个主要的环境问题。

低密度聚乙烯(LDPE)常见于包装和一次性产品中，并经常在垃圾填埋场和海洋环境中堆积，造成污染和温室气体排放。

预计全球LDPE产量将从2022年的约2280万吨增至2030年的3540万吨，对有效的回收和升级再造策略的需求变得越来越迫切。

研究人员开发了一种两步热化学方法，将废弃的低密度聚乙烯（LDPE）转化为导电、高结晶度的石墨。该工艺包括热液稳定化和高温石墨化。

在稳定化过程中，低密度聚乙烯(LDPE)需用盐酸(HCl)和硝酸(HNO3)在高达300°C的温度下进行处理，形成稳定的环状梯形结构，从而提高耐热性。随后，该稳定化材料在2700°C下进行石墨化，碳产率达到89.4%，其性能优于聚酰亚胺(PI)和聚丙烯腈(PAN)等传统聚合物前体。

研究人员优化了稳定化条件，并利用X射线衍射（XRD）、拉曼光谱、热重分析（TGA）、差示扫描量热法（DSC）和傅里叶变换红外光谱（FT-IR）等技术系统地评估了所得石墨的结晶度和电学性能，并与天然石墨和合成石墨进行了比较。

结果表明，优化的稳定化工艺显著提高了低密度聚乙烯（LDPE）衍生石墨（LGP）的碳产率、结晶度和电导率。LGP的结晶度约为天然石墨的两倍，电导率约为天然石墨的1.6倍，达到了与通常需要更高强度热处理的合成石墨相当的水平。

结构表征表明，在热退火过程中，晶粒尺寸显著增加，横向尺寸达到52.2纳米，堆积高度达到24.1纳米，这两项参数对于高性能碳材料而言至关重要。该方法对纯LDPE材料和废旧LDPE材料均有效，包括一次性手套、保鲜膜和农用薄膜。

即使使用受污染的废弃低密度聚乙烯(LDPE)，石墨也能保持与纯低密度聚乙烯类似的电导率，从而证明了该方法的稳定性。升级后的导光板(LGP)可以使用改进的Hummers方法转化为氧化石墨烯(GO)。

所得GO纳米片具有较大的横向尺寸，平均为4.1±2.4μm，使其适用于柔性电子、储能和涂层应用。

LGP的电导率超过了电池电极中商业使用的导电碳SuperP，凸显了其在储能应用方面的潜力。

升级再造的石墨在一系列技术领域具有巨大潜力，尤其是在储能和电子领域。其高结晶度和高导电性使其适用于电池、超级电容器、柔性电子产品和光热系统。将导光板(LGP)加工成导电浆料和油墨的能力扩展了其在增材制造领域的应用，例如柔性电极和加热器的3D打印。

此外，高分散GO纳米片的成功制备为传感器、复合材料和纳米涂层的应用开辟了新的机遇。这种升级再造方法不仅解决了塑料废弃物问题，还有助于开发用于下一代应用的可持续高性能碳材料。

本研究提出了一种将废弃低密度聚乙烯(LDPE)转化为高结晶石墨的有效框架，为塑料废弃物管理提供了可持续的解决方案。该工艺可生产出具有工业和技术应用竞争力的高价值碳材料。

未来的研究应侧重于优化合成条件、评估可扩展性以及评估实际应用中的性能。通过支持资源回收和推进循环经济，这项研究为可持续材料开发和改进塑料废物流管理指明了一条充满希望的道路。

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