DOI：10.1016/j.cej.2025.164273 

全文概述

本研究采用閃蒸焦耳加熱（Flash Joule Heating, FJH）技術，在毫秒級停留時間內高效熱解聚丙烯（PP）廢塑料，成功實現了低碳烯烴（C?-C?）的高選擇性生成（最高84%），并同步合成了碳納米球（Carbon Nanospheres）。通過系統調控反應溫度、升溫速率和載氣流速等參數，深入揭示了PP熱解反應路徑與產物形成機制，為廢塑料的閉環回收與高值化利用提供了新策略。

文章亮點

（1）技術創新性：首次將FJH技術應用于PP廢塑料毫秒級熱解，以毫秒級停留時間跳過傳統方法的二次加工環節，實現低碳烯烴一步高效生成。

（2）產物高選擇性：在1100°C條件下，低碳烯烴選擇性達84%，遠超傳統熱解技術。

（3）副產物高值化：在回收PP制備高價值低碳烯烴（乙烯、丙烯、丁烯）的同時，同步生成結構均勻的碳納米球（100-180 nm），具備多種應用潛力。

（4）機制深入揭示：通過GC-MS、SEM、XRD、Raman等多手段解析反應路徑與碳納米球形成機制。

（5）參數優化明確：系統研究溫度、升溫速率、氣流速率對產物分布影響，填補研究空白。

圖文解析

圖1：聚丙烯閃蒸焦耳熱解系統示意圖

展示FJH熱解PP的核心實驗裝置，包含氬氣鋼瓶、FJH 控制裝置、水冷冷卻系統、反應室、產物收集單元等關鍵組件，清晰呈現氣體輸送、加熱、冷卻、產物分離的完整流程。

圖2：不同閃蒸熱解溫度下的產物特性圖

圖（a）為不同閃蒸熱解溫度下三相產物（氣體、油/蠟、碳納米球）產率圖，直觀反映了溫度對產物分布的關鍵影響，明確1100℃為氣體（低碳烯烴主要存在形態）產率峰值點（72.6%），高于該溫度后碳納米球產率顯著上升（3%→11%）。圖（b）低碳烯烴收率隨溫度變化，C?H?為主導，1100°C時收率最高（31%），溫度繼續升高則因Diels-Alder反應和物理膨脹導致烯烴收率下降。圖（c）烯烴與烷烴選擇性對比，烯烴選擇性顯著高于烷烴，隨溫度升高略降，說明反應以初級裂解為主。圖（d）為1100°C下液體產物GC-MS譜圖，結果顯示主要成分為苯、萘和長鏈烷烴，支持芳香縮合反應路徑，為碳納米球形成提供前體。

圖3：不同溫度下FJH熱解PP生成碳納米球的表征圖

圖（a-d）展示了不同溫度下碳納米球的SEM圖，溫度升高，碳納米球尺寸更均勻（150-220 nm →100-180 nm），形貌更規整。圖（d-e）Raman光譜與ID/IG比值結果顯示，G峰（1580 cm?1）和D峰（1350 cm?1）顯示碳納米球石墨化程度隨溫度升高而提升。為碳納米球在高導電、高導熱領域的應用奠定了結構基礎。

圖4：不同熱解溫度下碳納米球XRD圖譜

圖（a）XRD結果顯示，1100-1500℃出現002峰且隨溫度升高變銳，1700℃出現100峰，證實高溫促進碳納米球從無定形碳向類石墨結構轉變；圖（b）放大1700℃時碳納米球XRD圖譜中的100峰（石墨面內有序結構特征峰），清晰觀察其峰形與強度，表明碳納米球具備類石墨結構。

圖5：不同升溫速率下的產物特性與溫度-時間曲線

圖（a-b）不同升溫速率對產物和烯烴收率影響的柱狀圖展示了升溫速率越快，氣體和烯烴收率越低，而蠟和碳納米球的收率急劇升高。圖（c-e）展示了不同升溫速率下電流與溫度-時間曲線圖，直觀反映系統升溫可控性，升溫速率越高，達到 1100℃的時間越短、電流峰值越大，證明通過調節電流可精準控制升溫速率。

圖6：不同升溫速率下碳納米球的表征圖

圖（a-d）中，SEM觀察不同升溫速率下碳納米球的微觀形貌差異，觀察到呈現升溫速率對碳納米球形貌的調控，SEM顯示升溫速率越高，碳納米球形貌越規整均勻。圖（d）Raman光譜表明升溫速率對石墨化程度（ID/IG）有影響但不如溫度顯著，存在一個中間最優值。

圖7：不同載氣流速對產物和烯烴收率的影響

柱狀圖展示了不同Ar氣流速對三相產物收率和低碳烯烴收率的影響。流速從25增至50 mL/min時，氣體收率上升；但流速過高（>50）時，氣體和烯烴收率下降，蠟收率飆升。流速直接影響產物在反應區的停留時間，流速過慢促進烯烴二次反應生成乙烯；流速過快則導致中間體來不及反應就被帶走，反而生成蠟。

圖8：不同載氣流速下碳納米球的SEM與Raman分析

SEM圖像和Raman光譜結果顯示，高流速下碳納米球尺寸更小更均一。ID/IG 比值隨氣流速率升高而上升，證明高氣流速率因縮短停留時間抑制石墨化，為平衡產物分布與碳納米球石墨化程度提供參數優化邊界。

圖9：多參數對PP FJH熱解機制的影響示意圖

總結了溫度、升溫速率、氣流速率對反應路徑和最終產物的影響。升高溫可以促進初級裂解（烯烴）和二次反應（碳納米球）。提高升溫速率使得反應物密度驟增，利于蠟和碳納米球形成。增大氣流速率有助于降低反應物密度和停留時間，利于初級反應生成烯烴，抑制碳納米球形成。

總結與展望

本研究通過FJH技術實現了PP廢塑料的高效閉環回收，核心成果包括：確定1100℃、55℃/s 升溫速率、50mL/min 氬氣流量的最優反應條件，低碳烯烴選擇性最高達84%；揭示溫度、升溫速率、氣流速率對產物的調控機理——溫度主導碳納米球生成與石墨化，升溫速率控制反應時間，氣流速率調節反應物停留時間；同步產出可調控形貌與結構的碳納米球（粒徑100-180nm），明確其通過芳香化合物熱縮聚形成。來研究可進一步優化反應器設計，提升能量效率與規模化可行性；深入探究催化劑在FJH系統中的協同作用；評估碳納米球在電池、吸附、催化等領域的實際應用性能。

通訊作者簡介

袁浩然，現任中國科學院廣州能源研究所副所長、新興固廢高值循環研究中心主任。2003年畢業于合肥工業大學熱能工程專業，獲學士學位，2010年畢業于中國科學院廣州能源研究所，獲博士學位，2011年訪問日本名古屋大學生物化學工程系。從事含碳固廢高效清潔轉化與物質循環利用基礎理論與新技術開發，在退役新能源器件、報廢電動汽車、生活/工業源有機固廢清潔熱化解構、提質重構轉化、產物進階提升等方面取得多項原創性成果，開發出系列針對生活垃圾、污泥、工業固廢、油泥、退役光伏/風電/電池等廢物清潔處置的關鍵技術與裝備，形成了碳基調理劑、催化劑及高值化學品等系列綠色產品，實現了戰略礦產資源的高質循環利用。先后主持“十四五”科教基礎設施項目、2022年中國科學院穩定支持基礎研究領域青年團隊計劃項目、2018/2022年國家重點研發計劃項目等國家、省部級科研項目20余項；獲2023年國家杰出青年科學基金項目、第五批國家高層次人才特殊支持計劃項目、廣東省杰出青年基金項目、廣東省特支計劃青年拔尖人才項目、廣州市“珠江科技新星”項目等項目支持。發表SCI/EI論文180余篇（第一或通訊）；參與編著7部；授權國家發明專利75件、國際發明專利4件；獲國家科技進步二等獎1項；獲廣東省技術發明一等獎、廣東省自然科學一等獎等省部級科技一等獎4項，獲得2019年首屆科學探索獎、2023年廣東“最美科技工作者”、2022年廣東省“五一”勞動獎章等。

本文使用的焦耳加熱裝置由合肥原位科技有限公司研發，感謝老師支持與認可！

焦耳加熱裝置

焦耳加熱裝置是一種新型快速熱處理/合成的設備，該設備可使材料在極短（毫秒級/秒級）時間內達到極高的溫度（1000~3000℃），升溫速率最快可達到10000k/s；通過對材料的極速升溫，可考察材料在極端環境、劇烈熱震情況下的物性改變，可通過極速升降溫制備納米尺度顆粒，單原子催化劑，高熵合金等。目前廣泛應用在電池材料、催化劑、碳材料、陶瓷材料、金屬材料、塑料降解、生物質等領域。