北京化工大学潘军青教授Materials Today Sustainability综述丨废轮胎衍生的多功能碳纳米材料的最新进展

成果简介

废轮胎的大量积累不仅导致土地资源的严重浪费，还会带来一系列环境污染问题，如引发火灾、污染地下水资源、蚊虫滋生等。目前，在众多已公布的废轮胎处理技术中，裂解被视为一种最为彻底、高效且环保的方法，即在缺氧环境下对废轮胎进行高温处理，裂解过程主要产生裂解气、裂解油、钢丝以及大量残留的碳质物质—裂解炭黑。在众多裂解产品中，裂解气可为整个热裂解过程提供能源，裂解油是附加值最高的产品，可作为燃料油出售或进一步加工后作为化学原料，分离出来的钢丝可作为合金原材料，但裂解炭黑产品由于灰分含量高、结构度低、粒径分布宽，表面活性差等，严重限制了其进一步应用，这反过来也阻碍了整个轮胎裂解行业的持续发展。鉴于此，北京化工大学潘军青教授团队在Materials Today Sustainability发表了题为“Recent developments of waste tires derived multifunctional carbonaceous nanomaterials”的综述性文章。第一作者为蒋国赛博士生，通讯作者为潘军青教授和吴玉锋教授。

本文首先对废轮胎裂解炭黑的形成机制及裂解过程对裂解炭黑性质的影响规律进行了介绍。进一步地，对裂解炭黑改性研究的最新进展进行了回顾，主要涉及裂解炭黑的脱矿、孔道结构构筑以及表面性质调控。之后，关于目前裂解炭黑在能源材料、橡胶补强及其它方面的应用也进行了介绍。最后，本文对裂解炭黑在未来的发展趋势和所面临的挑战进行了分析，以期望公众对裂解炭黑及轮胎裂解行业有深入的了解，吸引更多同行的关注，促进废轮胎衍生碳渣在各领域中的高值化利用。

综述目录和内容具体如下：

1. 前沿
2. 废轮胎裂解及裂解炭黑性质
2.1 废轮胎裂解机理
2.2 裂解条件
2.3 裂解炭黑性质
3. 高质量裂解炭黑回收
3.1 脱矿
3.2 孔道调节
3.3 化学表面性质调控
4. 再生炭黑功能性应用
4.1 能量存储与转化材料
4.1.1 超级电容器
4.1.2 电池
4.1.3 催化剂
4.2 橡胶补强
4.3 其它领域
4.3.1 吸附剂
4.3.2 沥青改性剂
4.3.3 油墨
4.3.4 碳量子点
5. 结论与展望

图1 轮胎行情、废轮胎研究现状及废轮胎衍生碳材料综述结构图

图2 废轮胎裂解机理

图3 裂解炭黑脱矿

图4 裂解炭黑孔道调节

图5 裂解炭黑化学表面性质调控

图6 裂解炭黑在能量储存中的应用

图7 裂解炭黑在能量转化中的应用

图8 裂解炭黑在橡胶补强中的应用

图9 裂解炭黑在吸附、沥青改性及油墨中的应用

结论与展望

废轮胎热裂解技术是解决这一黑色污染并实现碳资源回收的有效手段，裂解炭黑的高值化对于实现该固废产物的资源化利用和推动废轮胎裂解行业的发展具有积极作用，符合“双碳”目标。裂解炭黑的高灰分含量极大限制了其进一步应用，脱矿后的裂解炭黑已被证明可以部分替代商品炭黑，可实现较高的经济价值，但目前高纯裂解炭黑湿法回收工艺仍处于初级阶段，存在成本高、污染严重等问题。裂解炭黑的孔结构和表面性质调控可实现其功能化应用，如作为超级电容器电极材料或负载活性金属催化剂的基底材料等，改性方式取决于具体应用领域以及加工成本等综合因素，但裂解炭黑由于成分复杂、原材料质量波动大、改性成本高等，深加工技术仍有待进一步开发。

裂解炭黑在未来的发展趋势总结如下：首先，需探索更为有效、符合原子经济的脱矿方法，构建可循环母液的清洁回收工艺，发展绿色、经济的高纯裂解炭黑脱矿技术。其次，根据粒径特征对裂解炭黑进行分级回收，可通过上游废轮胎按部位裂解处理和下游裂解炭黑筛分处理。接下来，建立再生炭黑（改性后的裂解炭黑）行业标准，以保证再生裂解炭黑的质量稳定。轮胎全生命周期智能定位及轮胎制造商生产延生责任制也是一种有价值的探索。最后，鉴于裂解炭黑独特的结构特征，开发裂解炭黑的新应用和产业化，推动整个轮胎资源的闭环可持续发展，实现裂解炭黑的多元化应用。

文献信息

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.

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.mtsust.2023.100576