高性能碳纤维和塑料复合材料具有优异的强度和轻量化特性，降低了汽车和飞机的油耗和有害排放，并提高了电动汽车和风力涡轮机叶片的效率。然而，正是这些优异的特性使得这些不可或缺的材料难以回收利用。为了避免将其丢弃在垃圾填埋场或在高能耗、低价值的工业过程中进行回收，科学家们正在研究制造碳纤维增强塑料材料的方法，以便在其使用寿命结束时对其进行触发式解构并回收高质量的碳。然而，这种前景光明的替代方案仍然会产生价值不高的废弃物。

据外媒报道，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（University of Illinois Urbana-Champaign）的研究人员正在探索一种利用可再生能源对这种剩余材料进行升级改造的创新方法。

图片来源：期刊《自然-合成》

化学教授Jeffrey S. Moore和博士后研究员Yuting Zhou和Zhenchuang Xu在一篇论文中报告了一种利用电力对该回收副产品进行改性，使其转化为有用材料的新方法。该论文《通过协同电解对聚烯烃进行双C–H功能化以实现共价适应网络形成（Dual C–H functionalization of polyolefins for covalent adaptable network formation via cooperative electrolysis）》发表在期刊《自然-合成（Nature Synthesis）》上。

Moore表示：“这完成了碳纤维复合材料生命周期中一个关键环节的闭环，碳纤维复合材料广泛应用于风能、交通运输和航空航天领域。”

研究团队对这种副产品的重要改性是在分子水平上通过“电解”进行的，而电解是一种利用电流驱动溶液中化学反应的过程。

回收副产品基本上是原材料，即碳纤维增强聚合物复合材料（CFRP）的碎片。这些碎片由被称为低聚物的分子组成，低聚物是由重复单体单元组成的较小分子链。相比之下，热塑性塑料由线性聚合物（具有许多重复单体单元的长链）组成，而CFRP由交联聚合物基质和碳纤维（或增强碳纤维的聚合物链网络）组成。

Zhou解释说，在解构CFRP以回收有价值的碳纤维的过程中，聚合物基质会被破坏，留下由低聚物组成的废弃碎片，这些碎片的机械性能较低。

但通过电解，研究人员直接在两个不同的位置修饰了低聚物主链（聚合物链的主要结构）。他们只需一步，就在两个碳氢键位点上安装两个关键功能基团，从而修饰聚合物链，使修饰后的低聚物能够组装成新的网络结构。

Zhou解释道：“这些安装的功能基团可以连接在一起，所以我们可以将这些片段连接成网络。我们的目标是将它们（低聚物）重新连接成网络，然后恢复其机械性能。”

这种新的动态网络形式被称为共价适应网络（CANS），它使这种聚合物材料再次拥有了强大的机械性能和可再加工性。

Zhou表示：“它们可以被重新开发成许多其他类型的材料，用于其他用途，包括新型复合材料。”

Moore认为：“其实际意义在于，我们现在可以将复合材料回收过程中产生的低价值副产品转化为具有高循环性的新型热固性材料。”

热固性材料是一类聚合物，可通过名为固化的化学过程硬化，形成永久的刚性结构。这类材料的应用非常广泛，包括汽车零部件、航空航天部件、电子产品、防护涂层等等。

Moore表示：“通过创建一条可持续的途径来重复利用原本会被丢弃的低聚物，这项工作有助于实现净零废物制造，并凸显了电化学在聚合物升级改造方面的潜力。”

该研究团队还在研究中报告了重要的化学进展。Moore 解释道：“关键进展在于，这是首次实现了在复杂聚合物主链上的双碳氢功能化，且该方法具备可扩展性。”

据研究人员介绍，此前此类修饰方法仅限于轻微改变或依赖于端基化学，而非直接在碳氢位点“编辑”低聚物链本身。

Moore 解释道：“在此过程中，我们发现这些支链低聚物中的叔烯丙基碳氢位点比预期的更具反应性，这本身就是一项重要的新化学发现。”

该团队已在开展进一步研究，包括可能将这种电化学方法扩展到其他材料，特别是聚丁二烯，这是合成橡胶和高抗冲聚合物共混物中的关键成分。