碳材料在储能、热管理、电子设备、生物工程、高性能复合材料等众多领域扮演着重要的“角色”。但实际上长期以来，碳材料的加工之路却因其熔点过高等原因一直“困难重重”。
虽然碳纤维、石墨烯、碳纳米管等高性能的碳材料功能性强，但它们仍不能作为材料主体被应用。在大多数时，只能作为添加剂或增强性材料被共混在高分子中进行加工。这会导致碳材料的优秀的导热、导电性能被“浪费”。
科学家们曾尝试各种办法尝试解决碳材料制备的难题，例如通过聚丙烯腈或其他高分子材料制备碳纤维。但是，碳材料制造以及高分子的前驱体的选择仍然非常受限。
图丨强哲（来源：）
最近，美国南密西西比大学助理教授课题组开发了一种简单、可扩展的方法，首次实现可量产化制备 3D 宏观结构碳材料。他们从高分子的制备角度出发，通过 3D 打印一种常见的高分子聚丙烯（polypropylene ，PP），然后把它进行特殊的交联，成功地将 PP 转变成构型和机械性能良好的碳材料。
值得关注的是，由于碳材料具备良好的电热性能和力学性能，通过 3D 打印将塑料变成碳的工艺，可实现高效的电热转换，有望解决传统工业中高能耗的问题，甚至解决塑料垃圾可回收的问题。
审稿人指出，该研究极具创造力，其中的部分实验结果甚至有些不可思议。用简单的方法和最普及的塑料实现对碳材料的三维结构控制，该技术会对多个应用领域起到深远的影响。
图丨相关论文（来源：Advanced Materials）
近日，相关论文以《商品聚丙烯用于 3D 打印碳增材制造》（）为题发表在 Advanced Materials 上[1]。
南密西西比大学博士研究生保罗·史密斯（）为该论文的第一作者，助理教授为论文通讯作者。
实现 3D 宏观结构的按需碳制造
长期以来，塑料成为白色污染的源头，并以微塑料等方式入侵到海洋、生态系统等。因此很多时候，塑料不得不和“垃圾”联系在一起。
课题组自成立以来，就以做可持续性的塑料闭环研究为主旨，他们希望通过技术赋能，使塑料垃圾“变废为宝”，将最便宜、最基础的塑料“升值”成为复杂的高性能材料，来解决环境的棘手问题。
此前，该团队在将塑料转化成碳材料方面进行过相关探索。在与新冠疫情相关的一项研究中，他们曾探索过将高分子纤维材料变成碳纤维的方法。研究人员发现，在将口罩变成碳纤维后，因为诱导反应，在经过 1000 摄氏度的高温后，高分子的宏观结构仍可被保留，其大致外形未并发生明显的变化。
图丨（a）每个加工步骤（包括交联和碳化）后印刷零件的加工方案和相关的化学结构变化。（b）与未处理的打印 PP 部件相比，在不同温度下磺化 2 小时的样品的几何形状，包含单位尺寸为 1.65 厘米的陀螺形状。（c）交联 PP 样品的质量摄取和（d）结晶度随磺化时间和温度的变化（来源：Advanced Materials）
受此启发联想到，如果不局限于口罩，而是在三维宏观构型的碳材料上进行尝试，是不是也可以将整体形状保留？
但是，如何制备三维宏观构型的碳材料成为关键性难题，此前并没有相关文献作为参照。近年来随着 3D 打印技术的发展，通过 3D 打印可实现金属材料的打印。继续提出，何不尝试通过 3D 打印塑料，然后再将塑料变成碳材料呢？
图丨（a）复杂碳结构:六角线、鹰翼、金字塔、思想家。（b）PP 衍生碳沿印刷（或 Z）方向的机械性能。（c）PP 衍生碳陀螺（1.5g）的照片至少可以容纳 8 公斤的总质量（来源：Advanced Materials）这是一种大胆的创新，这个思路在最初提出时，课题组成员都认为难以实现。因为在传统行业里，磺化交联聚烯烃手段不能用于大规模大尺度的高分子产品。表示：“让我印象深刻的是，我们居然在第一次尝试时就成功了，而该结果和以往文献呈现的结果截然相反。最重要的是，材料的各方面功能性很强，这让我们非常激动。”显然，这种现象并不寻常，因此该团队又花了很长时间探索相关机理，发现这种“反常”现象的背后有很深的学问。在研究机理的过程中，该团队还发现了一些比较有意思的诱导反应，正是这些诱导反应让高分子产生了裂缝，进而实现交联。“我们的这些实验结果具有高重复性的原因在于，我们不仅做成了这种材料，并且更重要是知道它为何会实现。”说。该团队通过为塑料赋能，希望解决塑料垃圾污染、环境污染等多领域的可持续性问题。他们从系统设计上，尽量选择比较低耗的材料和比较简单的方法，希望该技术未来被学术界及工业界广泛地应用。并且，聚丙烯前驱体价格低、易获得。特别是低成本，是该技术未来产业化发展的必备条件。据团队预估，3D 打印的塑料的价格大概在十几元每吨，市场上的 3D 打印机约一两千元。表示：“我们的碳化工艺可与传统的碳材料制造‘无缝衔接’，因此不需要建设新的产业链来适应该工艺。用一种低成本、精致的材料制备方法做别人从来没有做过甚至没有想过的技术，让我们团队感到非常兴奋和自豪。”图丨（a）PP 衍生碳的焦耳加热性能，显示在 10 和 20w 时加热和冷却的时间。（b）这些碳材料的焦耳加热温度是供电功率的函数。（c）为焦耳加热过程中一个模型加热元件的图片，显示颜色在 30w 时随时间的变化。（d）铝锅可以使用 35w 的电源，在焦耳加热的 PP 衍生碳上 15 秒内迅速融化。（e）同样，PP 衍生碳可以用作 8w 沸水的加热元件（来源：Advanced Materials）那么，这种现量产化制备 3D 结构碳材料的工艺可能应用在哪些领域呢？认为，该技术最有可能应用在解决芯片领域的散热问题。随着超级计算机的“火热”，其大量的耗能、耗热等问题也接踵而来。传统的散热芯片较重、散热效率较低。与之对比的是，碳材料的散热效率高，并且通过三维结构的设置可以让散热达到最高的效率。另一方面，全球大部分国家纷纷制定战略，将在 2050 年达到碳中和、碳达峰。表示，如果通过低能耗的工业生产，将更有利于帮助世界各国、各个领域的工业技术达到更好的碳中和效果。因此，该技术的另一个可能的应用场景是，将工业化程序从普通加热变成电加热，以大量地减少能耗，符合“碳中和”规划和环境的可持续发展。“此外，该技术在生物医用、水处理等领域也具有应用潜力。”补充说道。据了解，目前该团队已与相关公司合作进行应用转化以及商业化，并有望在 1 至 3 年内落地应用。“用科学技术去解决社会的实际难题非常有意义，也给了我们很大动力。我们正在推进通过碳材料进行碳捕捉、碳转化的相关进程，致力于把二氧化碳转为有用的能源。”他说。从东华大学材料科学与工程系本科毕业后，来到美国阿克伦大学的高分子工程系完成了硕士和博士阶段的学习。随着对科研的深入接触，他逐渐找到了解决科研问题的乐趣。之后，他在美国西北大学化学与生物工程系进行了为期三年的博后研究。2019 年，他加入南密西西比大学高分子科学与工程系担任助理教授。回忆道：“在人生的每个阶段，我都有幸遇见优秀的导师。他们的言传身教让我深有启发并受益匪浅，也成为了我学习和进步的榜样。比如我的博导曾和我说过，‘当你学会了如何钻研一个我还并不了解的领域时，你就可以毕业了’。”他认为，读博不仅仅是要去解决某些课题，更重要去探索自己的潜能和天赋。因此，他经常鼓励他的学生们要敢想、敢做、勇于创新。身份的变化也带来了“使命”的转变，“我发现在成为博士生导师后，我有了一个更好的科研和教育平台，也更需要去发现问题以及判断技术的未来发展。”说。该课题组通过科学的方法为垃圾塑料“赋能”开展了系列研究，将其转变为碳捕捉、水处理以及电热的碳材料。课题组发明的科技有着重要商业价值以及可能创造深远影响。他表示，除了自己的成就，当看到学生们通过努力得到美国能源部、美国科学协会等荣誉和奖项，也是课题组的另一个“荣耀时刻”。对来说，未来最想攻克的科学难题是，在传统工艺改进条件下，通过材料性能的突破加速塑料领域实现碳中和发展。但他同时也指出，企业实现环境的可持续发展的同时，不能忽视的另一个重要的问题是经济的可持续发展。因此，该课题组研究的方向是用最少的成本，去做最好的碳捕捉优化。“我们不能只谈环境不谈经济和利润。对于企业来说，需要达到一个环境和经济的平衡点，这也是我们课题组现在主要关注的研究方向和目标。”他说。对于该研究的后续计划，希望不局限于制备碳材料，也可以运用塑料的概念做任何的物质材料制备。因此，下一步他们计划将该工艺做得更加精细化。参考资料：
1.Paul Smith et al. Advanced Materials(2023). https://doi.org/10.1002/adma.202208029
运营/排版：何晨龙
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