在最近发表在ACS Applied Engineering Materials杂志上的一篇论文中，研究人员介绍了一种可扩展且简单的技术，可将聚丙烯 (PP) 外科口罩废料转化为掺杂有硫的碳纤维，该碳纤维可以显示出对二氧化碳 (CO2) 的高吸附能力和选择性反对 N2。
背景
制造业、交通运输和发电等各个行业的大量温室气体排放对环境产生了不利影响，包括全球变暖加速、极端天气和空气污染引起的呼吸系统疾病。此外，不断增加的CO2浓度将导致全球健康和环境危机。
因此，在开发CO2捕获技术方面的持续努力已经导致在制造工厂中液体吸附剂系统的商业规模实施。然而，这些通常伴随着腐蚀、有害副产物的释放和严重的吸附剂再生损失。
近期减少 CO2排放的研究包括使用金属有机框架 (MOF)、生物质前体碳化以及硫掺杂（S-掺杂）碳。另一项研究展示了使用 PP 纤维生产中空碳纤维，然后通过活化步骤形成小孢子。这项工作可以解决由于在 COVID-19 大流行期间产生的大量口罩废物而引起的担忧，从而导致聚丙烯制成的一次性塑料的制造和消费量显着增加。
关于研究
在目前的工作中，该团队采用磺化化学方法将源自 PP 口罩的 PP 纤维交联，并通过在聚合物骨架上添加磺酸将其转化为 S 掺杂碳纤维。
这项研究是在切割外科口罩以取出添加了 98% 硫酸的外部无纺布层之后进行的。然后使用电马弗炉将这些材料加热到 145°C。然后用去离子 (DI) 水清洗样品，干燥，然后在管式炉中在 N2气氛中碳化至 800°C。
使用 PerkinElmer Frontier 衰减全反射傅里叶变换红外 (FTIR) 光谱仪，鉴定了口罩样品的化学成分。此外，使用扫描电子显微镜（SEM）检查了不同处理阶段（包括碳化和交联）后掩模的微观结构。碳化面罩的元素组成是通过能量色散 X 射线光谱 (EDX) 确定的。为了确定具有相关纤维结构基序的CO2结合能，使用了密度泛函理论（DFT）模拟。
观察
FTIR 光谱表明聚合物骨架在 2,920 cm-1峰处的 CH 拉伸随着磺化反应的进行而减小。然而，观察到 FTIR 光谱在四小时后几乎一致，表明反应完成。此外，在磺化 4 小时后碳产率达到 40% 左右，这表明使用浓硫酸在 145°C 下交联足以使面膜样品中的 PP 纤维完全交联。
在交联和碳化过程之后，原纤维结构可以保持完整。然而，PP衍生的碳可以产生微孔。由于交联量的增加，在较长的磺化持续时间下观察到微孔。此外，增加磺化持续时间会增加硫和氧的杂原子浓度。因此，这些碳纤维作为 CO2捕获吸附剂的使用是通过多孔特性和杂原子含量实现的，在 1 bar 下的最高比吸附容量总计为 3.11 mmol/g。此外，与 N 2相比，这些材料还显示出对 CO2的选择性高约 53 倍。
然而，12 小时的交联表明吸附容量降低，含硫量略高。这些结果表明，CO2捕获效率的确定还取决于硫原子在碳结构内的局部化学环境。为了了解它们的长期使用和性能，研究了从 PP 口罩中提取的碳纤维对 CO2分子的解吸和吸附的循环稳定性。据观察，在 150 °C 下加热吸附剂可以完全排出捕获的 CO2 气体分子，从而使消耗的吸附剂能够彻底再生。此外，吸附剂还表现出高循环稳定性，在超过 35 个循环后仍保持 92% 以上的性能。
结论
总而言之，研究人员使用 PP 基外科口罩通过聚合物前体在硫酸存在下在高温下交联来生产碳纤维。已确定硫原子可以通过磺化反应结合到碳基质中。此外，通过调节磺化周期，可以控制碳骨架中的硫掺杂量。
此外，由于它们有利的极性相互作用，硫杂原子以及碳纤维选择性可以提高CO2吸附能力。总体而言，作者认为，从回收的口罩废料中生产 CO2吸附剂到 S 掺杂的碳纤维中是一种可扩展且直接的替代方案，可以有助于缓解日益增加的塑料污染和大气温室气体所带来的环境问题。
资源
2022. Mark Robertson、Alejandro Guillen Obando、Bianca Nunez、Haoyuan Chen 和 Zhe Qiang。将口罩废物升级为碳捕获吸附剂：一项结合实验和计算的研究。ACS 应用程序。Eng.Mater.https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsaenm.2c00030
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