随着全球塑料产量的持续增长，废弃塑料的回收与利用已成为当前环境保护与资源再生领域的热点议题。中科院广州能源研究所团队近期在《Journal of Analytical and Applied Pyrolysis》期刊上发表了一项关于聚乙烯（PE）闪蒸焦耳热解（FJH）技术的研究，成功实现了废弃聚乙烯的高效转化，并为行业提供了新的技术路径和理论支持。这一研究不仅解决了塑料废弃物回收的关键挑战，还拓展了其在低碳烯烃和碳纳米材料领域的应用前景。
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创新技术：研究采用闪蒸焦耳加热（FJH）技术，通过快速加热和冷却实现了聚乙烯的高效热解。 -
高效转化：在1250°C条件下，实现了低碳烯烃（C2-C4）高达72.05%的选择性转化，同时共生成了结构可控的碳纳米球。 -
理论突破：深入解析了聚乙烯分子链特性对反应路径和产物分布的影响，为塑料回收利用提供了理论基础。 -
应用价值：研究成果为废弃塑料的闭环回收和资源化利用提供了新技术思路，并拓展了低碳烯烃和碳材料在能源、环境和材料科学领域的潜在应用。
图 1：聚乙烯（PE）闪蒸焦耳热解（FJH）实验系统示意图：此系统将熔融低密度聚乙烯涂覆在石墨舟，在不同电流下加热至特定温度范围热解 PE。利用红外测温仪实时监测温度，可编程逻辑控制器精确控制加热过程。反应在大气压下，通过氩气置换空气防止氧化。该装置确保快速加热和冷却，促进初级热解，减少二次反应，为产物生成提供实验基础。
图 2：聚乙烯在不同热解温度下产物产率分布：温度对热解产物分布起关键作用。低于 1250°C 时，随温度升高，气体产率增加，油 / 蜡产率降低；1250°C - 1650°C 时，气体产率下降，碳产物产率上升。表明不同温度区间，热解反应类型不同，为优化热解工艺提供依据。
图 3：聚乙烯在 1250°C 下热解气相产物色谱图及不同温度下主要气相产物分布：1250°C 时，乙烯和丙烯产率高，说明闪蒸焦耳热解中端链与随机断裂并存，且高温利于端链断裂。温度升高，乙烯选择性先升后降，氢气选择性持续增加，揭示温度对气相产物组成的影响。
图 4：聚乙烯在不同温度下热解生成碳纳米球的形貌：1450°C 时，碳纳米球呈规则球形，直径 150 - 230 纳米；1650°C 时，直径减小至 80 - 110 纳米。表明可通过调节热解温度控制碳纳米球粒径，为其性能调控提供实验依据。
图 5：聚乙烯热解生成碳纳米球的拉曼光谱图：光谱中 1350 cm⁻¹（D 峰）和 1580 cm⁻¹（G 峰）分别对应无序碳微晶和石墨化结构。随热解温度升高，D 峰与 G 峰强度比降低，表明碳纳米球结构向更有序的石墨化结构转变，揭示高温对石墨化程度的影响。
图 6：不同聚烯烃在 1250°C 下闪蒸焦耳热解产物产率分布：LDPE 主要生成气体产物，HDPE 因结晶度和密度高生成更多油 / 蜡产物，PP 因支链结构生成高比例小分子烃类气体，混合塑料气体产率介于单一塑料之间。揭示聚烯烃分子结构对热解产物分布的影响。
图 7：不同聚烯烃在 1250°C 下热解生成碳材料的形貌：HDPE 生成块状碳纳米材料，PP 生成均匀碳纳米球，混合塑料则球形和块状结构共存。直观展示聚烯烃结构对碳材料形貌的影响。
图 8：聚乙烯在闪蒸焦耳热解过程中自由基反应的中间体演变机制及其促进或抑制效应：低温时聚乙烯主要发生随机链断裂生成油 / 蜡产物，高温时端链断裂为主导反应生成小分子产物，图中展示的端链自由基转移反应路径影响产物组成和分布，揭示热解过程中自由基反应的复杂性。
图 9：（a）低碳烯烃和碳纳米球的形成机制；（b）闪蒸焦耳热解的产物调控机制：（a）中，低碳烯烃通过化学气相沉积形成芳香烃，再热聚合形成碳纳米球，高温促进脱氢反应生成碳纳米颗粒并聚集形成纳米球。（b）表明可通过控制反应温度优化低碳烯烃产率和碳纳米球尺寸，总结产物调控关键因素。
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