自 1950 年全球塑料年产量仅 170 万吨起，人类便踏上了塑料工业的高速发展之路。至 2021 年，这一数字已飙升至 3.67 亿吨，堪称工业史上的 “指数级增长奇迹”。然而，塑料与生俱来的化学稳定性，使其在自然环境中降解过程极为漫长。据预测，到 2050 年，滞留于环境中的塑料废弃物将高达 2000 万吨，这对生态系统构成了严峻威胁。在塑料回收领域，传统机械回收方式虽应用广泛，但存在明显弊端。随着回收次数增加，塑料性能会逐渐劣化，导致再生材料质量难以满足高端应用需求。化学回收技术虽能将塑料分解为小分子，但面临着复杂的分类难题与高昂的成本压力，阻碍了其大规模产业化应用。当前，焚烧和填埋处理方式不仅造成资源浪费，还对土壤、水体及海洋生态系统产生了严重的负面影响，进一步加剧了环境负担。面对这些挑战，碳纳米材料如石墨烯、多孔碳等展现出巨大的应用潜力。它们凭借高导电性、大比表面积等优异特性，在环境修复领域已崭露头角，更为混合塑料的高效升级转化提供了全新的技术方向。然而，目前的研究仍存在诸多不足。新兴技术如闪蒸焦耳加热等尚未得到充分整合，且缺乏对塑料转化技术的全生命周期分析。因此，开展系统性综述研究，对推动技术革新、促进循环经济发展具有重要的现实意义。

文章概述

      本系统综述全面剖析了塑料废弃物催化转化为碳纳米材料的前沿研究进展，深度聚焦高温热解、模板法、快速碳化等多元转化技术的作用机制与优化路径。通过细致探讨催化剂类型、反应温度以及金属 - 载体相互作用对产物性能的影响规律，精准揭示提升碳纳米管产率与石墨烯质量的核心要素。研究成果显示，闪蒸焦耳加热技术展现出突破性优势，能在数秒内将混合塑料高效转化为多孔石墨烯，其比表面积高达 874 m²/g，在电催化与 CO₂吸附领域极具应用价值；微波辅助催化技术则实现了同步产氢与制备碳纳米管的双重突破，氢产率可达惊人的 66.4 mmol/g，为资源综合利用开辟新径。

      此外，本综述还对碳纳米材料在超级电容器、污染物吸附等关键领域的应用潜力进行了系统评估，并创新性地提出将生命周期分析纳入工艺设计，以进一步优化技术的可持续性。本研究旨在为 “以废治废” 绿色技术的开发提供坚实的理论支撑，全力推动塑料资源高效循环利用的实践进程。

图文示意

      在应对塑料污染与资源循环利用的双重挑战中，机械回收与化学回收成为塑料回收的两大核心路径（图 1）。机械回收主要借助物理破碎、熔融造粒等手段，将废旧塑料重塑为再生制品。然而，该方法存在明显弊端，反复加工会致使塑料性能劣化，并且在处理不同材质混合的塑料时往往力不从心。相较之下，化学回收通过打破塑料高分子的化学键，将其降解为小分子产物，如燃料、单体等。尽管化学回收需要对塑料进行预先分拣，但能够生产出纯度较高的产物，为塑料高值化利用提供了可能。

图1. 塑料废物的回收升级路径与产物应用

      近年来，混合塑料直接转化为碳纳米材料的新兴技术，凭借 “一锅法” 工艺成功绕开传统分拣难题，成为破解塑料污染困局与实现资源高值化利用的关键路径。该技术不仅能将复杂塑料混合物高效转化为石墨烯、多孔碳、碳纳米管等高附加值材料，还兼具显著的经济效益与环境效益。

       在具体实践中，聚乙烯（PE）在 RuPt 合金催化剂的作用下，通过氢解反应可转化为液态燃料（图 2a）；聚酯（PET）经碱性水解处理，短短 20 分钟内单体回收率便能高达 95%（图 2b）；聚苯乙烯（PS）借助光催化降解技术，可生成苯甲酸等高价值产物（图 2d-e）；聚氯乙烯（PVC）则利用氯转移策略，有效避免了有毒副产物的产生（图 2f）。这些技术成果展示了混合塑料转化领域的广阔前景与巨大潜力。

图2. 典型塑料的化学转化机制

      碳纳米材料独特的结构特性直接决定其在多领域的应用潜力（图 3）。以石墨烯为例，其单原子层二维蜂窝状结构赋予了材料非凡的电学与热学性能，室温下导电性高达 15,000 cm²/V・s，导热性可达 5300 W/m・K，远超传统材料。通过闪蒸焦耳加热（FJH）技术，可实现从混合塑料快速合成多孔石墨烯（图 7a-b），所得产物比表面积达 874 m²/g，为其在电子器件等领域的应用奠定基础。多孔碳凭借三维互联的孔网络结构，拥有高达 3000 m²/g 的比表面积，在气体吸附与储能领域展现出卓越性能。在 CO₂吸附方面，其吸附量可达 17 wt%；应用于超级电容器时，比电容达到 355 F/g，有力推动了能源存储技术发展。碳纳米管（CNTs）则以其一维管状结构和超高机械强度（50 - 200 GPa）脱颖而出，成为高性能功能材料的理想选择。在电磁波吸收领域，其反射损耗低至 - 59.5 dB；应用于锌空气电池时，可实现 120 mW/cm² 的功率密度（图 14c-d），在电子通讯与新能源领域具有广阔的应用前景。

图3. 塑料碳化衍生的三种常见碳纳米材料

      合成工艺的优化是解锁碳纳米材料优异性能的核心密钥。在多元技术路径中，高温热解工艺引入熔融盐介质（如 KCl）后，成功将反应温度区间降至 400-480°C，不仅显著降低能耗，还能同步生成碳纳米管与轻质油（图 6a）；模板法凭借硬模板（如 SiO₂）或软模板对孔结构的精准调控，使多孔碳的电容性能得到质的飞跃（图 6b-d）；闪蒸焦耳加热（FJH）技术以 3000 K 的瞬时高温，实现了石墨烯在数秒内的极速合成（图 7a）；微波催化工艺借助 FeAlOx 催化剂，在 6 小时内达成 93% 的理论氢产量（图 8a-b），展现出高效的资源转化能力。

      在催化剂设计层面，双金属催化剂（如 Ni-Fe）通过协同作用机制，既能显著提升产氢量，又能优化碳纳米管（CNTs）的质量（图 9a）；而对金属 - 载体相互作用（如 Fe/γ-Al₂O₃体系）的精细调控，则有效平衡了活性位点的充分暴露与催化剂的稳定性（图 10a），为工艺的可持续应用提供保障。这些创新工艺与催化剂设计策略，共同构建起提升碳纳米材料性能的技术体系。

图4. 碳纳米材料的合成策略

图5. 闪蒸焦耳加热（FJH）技术

图6. 微波辅助催化热解技术

图7. 催化剂设计对碳纳米材料合成的影响

图8. 催化剂与原料的协同作用

      在实际应用场景中，塑料衍生碳材料展现出多元且卓越的价值。石墨烯凭借独特的二维纳米结构，在水处理领域对全氟辛酸（PFOA）的吸附效率超过 90%，同时在太阳能蒸发器中实现 2.92 kg/m²・h 的蒸发速率（图 9b），为水资源净化与利用提供创新方案；多孔碳材料在 CO₂捕获和超级电容器领域表现突出（图 10a-b），其优异的吸附性能和储能特性推动了低碳技术与能源存储的发展；碳纳米管不仅在锌空气电池中展现出良好的应用前景（图 11c），其三维网络结构（CNTA）更兼具电磁波吸收与自清洁功能（图 11d），在电子通讯与智能材料领域具有重要价值。

     然而，该类材料的规模化应用仍面临诸多挑战：需要深入研究碳化机理以优化产物微观结构，开发过渡金属盐等低成本催化剂及电化学催化等绿色工艺，并通过生命周期分析（LCA）和技术经济评估（TEA）为工业化提供科学支撑。未来研究应聚焦高效 - 低成本技术的集成创新，构建 “以废治废” 的循环经济模式（图 12），推动塑料废弃物资源化利用的可持续发展。

图9. 石墨烯的环境与能源应用

图10. 多孔碳的CO₂捕获与储能应用

图11. 碳纳米管的水处理与能源应用

图12. 塑料碳化技术的挑战与未来研究方向

总结与展望

      本文系统综述了废塑料催化转化为碳纳米材料的前沿研究进展，深入剖析不同类型碳纳米材料的应用场景，并探讨影响合成产物质量与收率的关键因素。研究聚焦石墨烯、多孔碳和碳纳米管三类典型衍生材料，详细阐述其在能源、环境、电子等领域的多元化应用。

      尽管当前已发展出多种将塑料转化为碳纳米材料的技术路径，但从废塑料到碳材料的合成效率与产量仍存在显著提升空间。未来研究需重点突破以下方向：开发核壳结构、双金属体系等低成本催化剂以优化反应活性；整合生命周期分析（LCA）方法量化工艺环境效益，提升技术可持续性；推动实验室技术向规模化生产过渡，攻克反应器设计、系统稳定性等工业化关键瓶颈。通过上述研究，最终实现 "以废治废" 的循环经济目标，为解决塑料污染与碳资源高效利用提供系统性解决方案。

 原文信息：Kaihao Cao, Shengbo Zhang,* Yawen Shi, Xinyong Diao, Ruhan Wei, and Na Ji*. Catalytic Upgrading of Plastic Wastes into High-Value Carbon Nanomaterials: Synthesis and Applications. ACS Nano, 2025.  https://doi.org/10.1021/acsnano.5c03391

通讯作者

张胜波  北洋英才学者，天津大学长聘英才副教授/特聘研究员，硕博士生导师，天津市可再生能源学会生物质能专委会委员。2020年博士毕业于天津大学化工学院，2020-2023年在清华大学化工系从事博士后研究。研究领域面向国家双碳战略目标，致力于废弃塑料高效循环与资源化、人工光合作用整合设备构建、氢能开发与利用等研究，以第一或通讯作者在Nat. Sustain., J. Am. Chem. Soc., Adv. Mater., AIChE J., ACS Catal.(8), ACS Nano (2), Chem. Sci.(2), Appl. Catal. B-Environ.(5)等杂志发表论文50余篇，ESI高被引论文6篇，授权发明专利8项，主持国家级基金、北洋英才学者基金、重点实验室开放基金等项目；担任Advanced Fiber Materials(中科院一区TOP, SCI, IF=17.2), Journal of Materials Science & Technology (中科院一区TOP, SCI, IF=11.2), eScience(中科院一区TOP, SCI, IF=42.9), Chinese Chemical Letters (中科院一区TOP, SCI, IF=9.4), Advanced Powder Materials(中科院一区TOP, IF=28.6), Green Carbon等期刊青年编委；担任Nat. Sustain, JACS, AM, Nat.Commun, ACS Catal, EES, ACB, Engineering, JACS Au, AFM等期刊审稿人。

纪娜，天津大学环境科学与工程学院英才教授，博士生导师，天津市青年人才，天津大学十佳杰出青年教工，天津大学环境科学与工程学院环境工程系副主任，全国石油化工行业生物基油气重点实验室副主任，天津市可再生能源学会生物质能专委会副主任，政协天津市津南区常委，中国农工民主党中央生态环境委员会委员。博士毕业于中国科学院大连化学物理研究所，曾先后留学于德国马普学会煤化学研究所、美国特拉华大学化学工程系，担任博士后研究助理，2013年底入职天津大学，期间曾挂职兼任天津市和平区生态环境局副局长等。 纪娜教授主要从事环境工程、化学工程、工业催化、新能源开发等工作，研究课题包括： （1）生物质可再生资源的催化转化利用技术； （2）生物燃料及航空煤油的可再生催化合成技术； （3）废弃塑料的循环回收与资源化利用技术； （4）新型环境功能催化材料的开发与利用等。

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