河北大学高勇军&北京大学马丁：利用焦耳加热技术实现塑料与二氧化碳的高效转化

图1 展示了本研究中使用的电催化重整反应器的设计和反应条件筛选过程。该反应器由石英管、FeCrAl加热丝、瓷舟和密封装置组成。图1a展示了反应器的示意图，其中FeCrAl加热丝作为关键组件，通过通电产生高温，促进塑料和二氧化碳的反应。图1b展示了不同二氧化碳与聚乙烯摩尔比下，反应产物的分布情况。结果表明，随着二氧化碳比例的增加，一氧化碳的产量增加，碳沉积物的质量减少。图1c展示了不同电流和电阻值下，FeCrAl加热丝的电阻和电流变化对反应产物的影响。结果表明，选择合适的电流和电阻值对于提高一氧化碳和氢气的产量至关重要。图1d展示了FeCrAl加热丝与传统管式炉的加热速率对比，结果表明FeCrAl加热丝具有更快的加热速率，能够有效节省能源。

图2 展示了不同条件下电催化重整反应的催化性能。图2a比较了使用不同加热组件（FeCrAl加热丝、NiCr加热丝、碳纤维）进行二氧化碳重整反应的结果。结果表明，FeCrAl加热丝具有最佳的催化性能，能够实现更高的氢气和一氧化碳产量，并减少碳沉积物的生成。图2b展示了使用FeCrAl加热丝进行不同塑料（聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯）的二氧化碳重整反应结果。结果表明，FeCrAl加热丝能够有效地将各种塑料转化为合成气。图2c展示了FeCrAl加热丝在多次循环使用后的催化性能。结果表明，FeCrAl加热丝具有优异的稳定性，能够重复使用而不显著降低催化活性。图2d将本研究的结果与其他报道的催化体系进行了比较，结果表明本研究开发的电催化重整体系具有优异的性能。

图3 展示了电催化重整体系在实际塑料产品中的应用和放大实验结果。图3a展示了使用电催化重整体系对实际塑料产品（移液器、洗涤瓶、口罩、午餐盒、食品容器、瓶子）进行二氧化碳重整反应的结果。结果表明，电催化重整体系能够有效地将各种塑料转化为合成气。图3b展示了放大实验的结果，结果表明电催化重整体系具有良好的放大潜力，能够实现大规模的塑料废物和二氧化碳转化。

图4 展示了电催化重整反应的动力学参数和原位分析结果。图4a展示了聚乙烯在电催化重整体系中的脱氢动力学。结果表明，聚乙烯能够迅速脱氢生成氢气和碳沉积物。图4b展示了二氧化碳在电催化重整体系中的还原动力学。结果表明，二氧化碳能够被还原生成一氧化碳。图4c展示了聚乙烯在电催化重整体系中的二氧化碳重整动力学。结果表明，聚乙烯的脱氢和二氧化碳的还原过程相互耦合，促进了碳沉积物的去除。图4d展示了原位红外光谱分析结果，结果表明聚乙烯的分解过程产生了小分子烃类化合物，并进一步与二氧化碳反应生成一氧化碳和氢气。图4e展示了原位质谱分析结果，结果表明电催化重整体系能够有效地将甲烷和二氧化碳转化为合成气。

图5 展示了电催化重整体系的环境影响评估和使用太阳能的演示配置。图5a展示了不同电源方式对电催化重整体系生命周期环境影响的影响。结果表明，使用太阳能作为电源可以显著降低化石能源消耗和温室气体排放。图5b展示了使用太阳能进行聚乙烯的二氧化碳重整反应的演示配置。结果表明，电催化重整体系能够在自然光照下有效地进行塑料废物和二氧化碳的转化，为构建低碳未来提供了新的思路。