Sustain Mater Technol：當廢塑料邂逅MOF—廢棄聚丙烯隔膜升級再造為碳納米管以及水電聯產性能研究

隨著人口的持續增長以及水污染的日益嚴重，淡水資源的短缺已成為一個備受關注的問題。與此同時，工業化的加速導致了能源需求的急劇增。太陽能被認為是一種資源豐富且可再生的清潔能源。太陽能界面水蒸發技術是指通過光熱材料將太陽能轉化為熱能，將熱量集中在氣液界面以實現快速蒸汽釋放。太陽能界面水蒸發顯著提高了能源利用效率，并最大限度地減少了光熱材料與水之間界面的熱損。近年來，太陽能界面蒸發與發電的結合引起了極大的關注。將界面光熱轉換與水蒸發發電集成到雙功能蒸發器中，通過雙功能太陽能蒸發器同時實現淡水生產和發電是一種緩解淡水資源和電力資源需求的理想解決方案更為解決水能雙重危機提供了創新思路。此前已有研究采用羰基化單壁碳納米管復合膜、羧基化碳納米管水凝膠等實現耦合發電，在海水中分別實現了1.77 kg·m?2·h?1、2.50 kg·m?2·h?1的蒸發速率和120 mV、28.8 mV的輸出電壓。盡管已有研究在水電聯產方面取得進展，但碳納米管的結構與表面官能團對蒸發-發電協同機制的影響尚不明確。

與此同時，塑料在我們生活的各個領域中被廣泛應用。塑料廢棄物的大量產生帶來環境壓力，其富含的碳原子使其成為低成本的碳源，可用于生產高價值的碳納米材料，如碳納米管。碳納米管合成方法包括微波輔助法、電弧放電法、化學氣相沉積法等，雖已有利用廢聚丙烯制備碳納米管的嘗試，揭示了催化劑在碳納米管生長中的關鍵作用，但催化劑結構調控仍是難題，均勻分散的金屬活性位點至關重要。金屬有機框架(MOF)作為多孔催化材料，具有結構多樣、比表面積大、催化位點豐富的優勢，其金屬中心可直接參與反應或碳化后轉化為金屬氧化物納米顆粒參與催化反應。目前尚未有利用 MOF 催化廢塑料制備碳納米管的報道。

聚丙烯隔膜是鋰離子電池的重要組成部分，每年產生的廢棄隔膜約為數萬噸。在此，本研究提出以鎳基 MOF（Ni-BDC）和NiCl2的組合催化劑對廢聚丙烯隔膜（PP）進行催化轉化來制備碳納米管。并將其進一步制作為可用于水電聯產的雙功能蒸發器，用于淡水-電力聯合生產。該碳納米管蒸發器表現出良好的親水性、高光吸收性能以及光熱轉換能力。它實現了2.79 kg·m?2·h?1的高水蒸發率和259 mV的連續電壓。研究進一步表明，碳納米管表面官能團與鈉離子之間的相互作用強于其與氯離子的作用，這種選擇性相互作用是電壓產生的關鍵機制。

在最近的工作中（Sustainable Materials and Technologies，影響因子為9.2，中科院2區期刊），我們通過MOF催化碳化將廢聚丙烯隔膜轉化為碳納米管，并構建了淡水-發電聯產的雙功能蒸發器。

以上研究成果以When waste plastics meet with MOF: Upcycling waste polypropylene separator into carbon nanotube for efficient freshwater and hydroelectricity co-generation 為題發表在期刊Sustainable Materials and Technologies（影響因子為9.2，中科院2區期刊）上。論文第一作者為華中科技大學化學與化工學院2025級碩士研究生韋乾宇，華中科技大學龔江研究員是通訊作者。論文作者還包括碩士研究生張鑫瑤、戴郅焜，博士研究生胡桂新、王慧悅、溫雪瑩，以及本科生朱泓潤、杜杭遠。該研究得到國家自然科學基金等資助。

文章信息

Qianyu Wei, Guixin Hu, Huiyue Wang, Xueying Wen, Xinyao Zhang, Hongrun Zhu, Hangyuan Du, Zhikun Dai, Ran Niu, Jiang Gong*. When waste plastics meet with MOF: Upcycling waste polypropylene separator into carbon nanotube for efficient freshwater and hydroelectricity co-generation, 2026, 47: e01785.

https://doi.org/10.1016/j.susmat.2025.e01785

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