上海海洋大學于飛團隊JCIS：聚丙烯衍生硫化鐵/碳納米花用于高性能電化學除氯

第一作者：倪津

通訊作者：于飛

通訊單位：上海海洋大學

論文DOI：10.1016/j.jcis.2025.139491

通訊作者郵箱：fyu@vip.163.com

研究背景

隨著塑料制品（如聚丙烯PP）的廣泛使用，廢棄塑料的積累已造成嚴重的環境污染。將高含碳量的廢塑料轉化為功能性碳材料被認為是最具前景的回收策略之一。然而，現有的催化碳化方法通常需要使用腐蝕性酸液去除殘留的金屬催化劑，這不僅造成了資源的浪費，還會產生二次污染。另一方面，水體中的氯離子污染對工業生產和生態環境構成威脅，電容去離子（CDI）作為一種新興脫鹽技術備受關注，但傳統碳電極的吸附容量有限。因此，開發一種既能高效利用廢塑料，又能制備高性能CDI電極材料的綠色合成策略顯得尤為重要。

本文亮點

A、采用二茂鐵和硫作為雙催化劑體系，成功將聚丙烯（PP）轉化為FeS@碳納米花。

B、系統研究了二茂鐵和硫對碳納米花直徑及形貌的調控作用。

C、 FeS@碳納米花展現出高達64.67 mg g?1的優異脫鹽能力，以及容量保持率超過90%的良好循環穩定性。

D、利用原位電化學石英晶體微天平（EQCM-D）技術，深入探究并揭示了氯離子的去除機理。

內容簡介

本研究通過原位催化碳化策略，成功將聚丙烯塑料廢棄物轉化為具有高附加值的FeS@碳納米花材料。在該體系中，二茂鐵和硫不僅催化了塑料的碳化，還原位生成了FeS納米顆粒并將其封裝在多孔碳基質中。FeS作為法拉第材料顯著增強了電荷存儲能力，而硫摻雜則改善了碳骨架的導電性和潤濕性。通過電化學石英晶體微天平（EQCM-D）技術，研究團隊進一步揭示了FeS@碳納米花中可逆的氯離子捕獲機制。該工作為廢塑料的資源化利用和高性能水處理材料的開發提供了一條綠色、可持續的新途徑。

圖文導讀

圖1：FeS@碳納米花的原位催化合成與微觀結構調控

本研究通過巧妙的“一鍋法”策略實現了廢塑料的高值化利用，圖1(a)展示了FeS@碳納米花的制備流程示意圖：聚丙烯（PP）、二茂鐵和升華硫經研磨混合后，在高溫下通過原位催化碳化直接轉化為功能材料。SEM圖像揭示了催化劑配比對材料形貌的顯著調控作用，圖1(b-d)分別顯示了不同配比（PFS-1, PFS-3, PFS-4）樣品的微觀形貌，結果表明二茂鐵含量的增加會促進鐵原子團聚從而增大納米花尺寸，而硫含量的增加則有助于形成更細小的致密團簇。在優化比例（1:2:1）下，圖1(e-g)清晰地呈現出由碳納米片組裝而成的三維花狀簇結構（PFS-2），這種結構具有豐富的孔隙。進一步觀察微觀結構，圖1(h-i)的TEM圖像證實了FeS納米顆粒被均勻包裹在碳骨架內部，且圖1(j)的EDS元素分布圖顯示C、S、Fe三種元素分布高度均勻，證明了原位合成的成功。此外，圖1(k)的小提琴圖定量統計了碳納米花的粒徑分布，而圖1(m)的XRD圖譜則確認了FeS高結晶度物相的形成，這些結構特征共同為優異的電化學性能奠定了基礎。

圖2：電化學行為分析

為了探究材料的電化學特性，研究對比了不同樣品的儲能表現。圖2(a-b)顯示在不同掃速下，PFS-2電極的CV曲線積分面積最大，且在低掃速下出現明顯的氧化還原峰，暗示了法拉第反應的存在。圖2(c)的比電容變化曲線進一步證實PFS-2在所有測試倍率下均具有最高的比電容。動力學分析方面，圖2(g)通過擬合峰值電流與掃速的對數關系，得出氧化峰和還原峰的b值分別為0.78和0.70，表明儲能機制是由表面電容行為和擴散控制行為共同主導的混合模式。為了量化這一貢獻，圖2(h)區分了100 mV s?1下的電容貢獻與擴散貢獻，圖2(i)則直觀展示了隨著掃速增加，電容控制的貢獻率逐漸占據主導地位，這得益于FeS提供的贗電容活性位點以及硫摻雜碳骨架帶來的快速電子傳輸能力。

圖3：電容去離子（CDI）脫鹽性能與循環穩定性

在脫鹽測試中，FeS@碳納米花展現出卓越的性能。圖3(a)的吸附動力學曲線顯示，PFS-2電極在1.2 V電壓下的鹽吸附容量（SAC）高達64.47 mg g?1（最高達65.31 mg g?1），且吸附速率快，顯著優于其他對比樣品。圖3(c-d)對比了不同截止電壓下的平均SAC及能耗，結果表明1.2 V是平衡吸附容量與能效的最佳工作電壓。當電壓進一步升至1.4 V時，圖3(e)顯示其SAC反而因副反應和表面膠體的形成而下降。此外，圖3(g)探究了不同初始濃度對吸附性能的影響，證實材料在寬濃度范圍內均保持良好的除鹽能力。更為重要的是，圖3(i)的長循環測試結果表明，經過50次吸附-解吸循環后，PFS-2的容量保持率超過90%，證明該電極材料具有極佳的結構穩定性和再生能力。

圖4：基于XPS與原位EQCM-D的除氯機理探究

本研究結合非原位表征與原位技術深入揭示了除氯機理。圖4(a-d)的XPS光譜分析證實了電化學過程中的化學變化：吸附后 S 2p譜中Fe-S鍵特征峰消失且氧化態硫含量顯著增加，同時Fe 2p譜顯示Fe3?比例上升，表明Fe-S鍵斷裂及Fe2?/Fe3?的可逆氧化還原反應提供了電子補償以增強對Cl?的靜電吸附。為了進一步闡明微觀層面的質量傳輸機制，研究采用了原位EQCM-D技術作為“質量探針”。圖4(e)展示了頻率（f3）和耗散因子（D3）隨電位掃描的實時響應。數據顯示，當掃描速率大于或等于20 mV s?1時，f3和D3均呈現出良好的周期性變化，且與CV曲線的峰值變化高度吻合，這表明PFS-2電極的質量和粘彈性質的變化是高度可逆的。具體而言，在0 V至-0.4 V的充電過程中，f3的下降指示電極質量增加，對應離子的擴散嵌入；而在-0.4 V至0 V的放電過程中，f3的變化趨勢反轉并恢復至初始值，證實了離子嵌入與脫出的可逆性。圖4(f)進一步通過計算電極質量變化(Δm)詳細解析了離子交換順序：在還原過程初期（-0.4 V至0 V），觀察到電極質量出現負變化，指示發生了Na?的脫附；隨著還原反應的進行（0 V至0.8 V），電極質量轉為正增長，表明發生了Cl?的吸附。反之，在氧化過程（0.8 V至-0.4 V）中，觀察到相反的質量變化模式（先減小后增加），對應于Cl?的脫附和隨后的Na?吸附。這一結果直接證實了在該電極表面，Na?的脫附優先發生，隨后伴隨Cl?的吸附，從而清晰地描繪了具體的除氯微觀動力學路徑。

總結與展望

本研究開發了一種無需酸洗的“一鍋法”策略，將聚丙烯廢塑料轉化為高性能的FeS@碳納米花CDI電極。該方法不僅解決了廢塑料回收中的催化劑殘留問題，還通過引入法拉第活性材料FeS顯著提升了電極的除氯性能，為以廢治廢、開發可持續水處理材料提供了新思路。

文獻鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.jcis.2025.139491

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