导电聚合物遇上碳纳米材料：一场同时解决能源与污水危机的“联姻”

搁浅

导电聚合物遇上碳纳米材料：一场同时解决能源与污水危机的“联姻”（DOI: 10.1016/j.rineng.2025.107168）

一、从“塑料”到“能源与环保多面手”
传统塑料导电性几乎为零，但20世纪70年代被偶然发现的“导电聚合物”（CPs）却能在室温下实现金属级电导。聚苯胺（PANI）、聚吡咯（PPy）、聚噻吩（PTh）、PEDOT 等凭借 π-共轭骨架，可像半导体一样传输电荷，又保留高分子的柔韧、可溶液加工特性。然而，CPs 单独登场时总显“单薄”：比表面积低、机械强度弱、光生电子-空穴极易复合，难以在环境治理和能源转化中独挑大梁。

二、碳纳米材料“联姻”带来三重惊喜
碳纳米管（CNT）、石墨烯（rGO/GO）、碳量子点（CQDs）、碳纳米洋葱（CNOs）等“碳纳米结构”（CNS）兼具超大比表面积、优异电荷迁移率和机械强度。将 CNS 与 CPs 复合，可一次性解决：

• 导电网络——CNT 或 rGO 提供高速电子通道，电导率提升 1–3 个数量级；
• 结构支撑——石墨烯片层或 CNT 桥连，拉伸强度提高 2–5 倍，抑制裂纹；
• 活性界面——CNS 的缺陷、含氧官能团与 CPs 的胺/亚胺基团协同，形成金属离子配位、气体吸附、光子吸收“三重活性位”。
  

三、一篇综述看懂 15 年进展
2025 年 9 月，马来西亚、巴基斯坦、美国等多团队联合发表 107 页综述，系统梳理 CP–CNS 复合材料在三大环境-能源难题中的最新战绩。

• 光/电催化制氢（HER）
  
  • PANI-TiO₂/rGO 三元杂化：可见光下产氢速率 0.806 mmol h⁻¹ g⁻¹，比纯 TiO₂ 提高 1.8 倍；
  • Nb₆O₁₉/PPy/rGO：PPy 作为“电子桥”，HER 提升 43 倍，达到 207 μmol g⁻¹ h⁻¹；
  • PEDOT/g-C₃N₄ S-型异质结：31.5 倍增强，太阳能→氢能转换效率创该类材料新高。
    
• CO₂ 捕集与还原
  
  • hierarchically porous PANI 基碳材料：常压吸附量 9.14 mmol g⁻¹，媲美商业沸石；
  • AuCu 合金+PANI/g-C₃N₄：模拟日光下 100% 选择性还原 CO₂ 为 CO，产率 9.2 μmol g⁻¹ h⁻¹；
  • PEBA–GO–PPy–Zn 混合基质膜：CO₂/CH₄ 选择性突破 Robeson 上限，为天然气脱碳提供新膜材料。
    
• 污水深度净化
  
  • 染料：g-C₃N₄/PPy/ZnO S-型催化剂 60 min 降解 99% 罗丹明 B；
  • 重金属：rGO/oCNTs/PANI 气凝胶对 Pb²⁺、Zn²⁺ 吸附容量分别达 346、581 mg g⁻¹；
  • 药物：rGO-Ag/PANI 在 pH=5 时 30 min 降解 99.6% 对乙酰氨基酚；CNO/PANI-NTs/Au 50 min 去除 99% 环丙沙星。
    

四、机理透视——协同作用如何发生？

• 能带匹配：CPs 的 HOMO/LUMO 与 CNS 的费米能级错位，形成内置电场，电子-空穴对分离效率提高 3–10 倍；
• 界面耦合：CNS 表面 –COOH、–OH 与 CPs 的 –NH– 形成氢键/共价键，缩短电荷迁移距离；
• 多孔网络：CNS 阻止 CPs 链段紧密堆积，比表面积从 10 提到 300 m² g⁻¹ 以上，污染物更易接近活性位；
• 热-机械缓冲：CNT 或石墨烯片分散应力，复合材料拉伸强度 >80 MPa，耐热达 250 ℃，循环使用 20 次以上性能不衰减。
  

五、走向工业化的四大挑战

• 规模化合成：高品质 CNT 或单层石墨烯价格仍高达 100–500 美元/千克，需发展生物质闪蒸焦耳热、废塑料化学气相沉积等低成本路线；
• 绿色制备：传统氧化聚合使用过量过硫酸铵、盐酸，废液高盐高酸，正被酶催化、光电聚合、固态剪切等“绿色”工艺替代；
• 结构精准控制：CPs 结晶度低、链构象无序，导致性能批次差异大；同步辐射原位表征 + 机器学习反向设计成为新趋势；
• 寿命与毒理：长期紫外照射、ROS 攻击会使 CPs 链断裂，释放低聚物；需建立材料-环境-健康数据库，制定降解产物安全标准。
  

六、未来 5–10 年展望

• 原料：利用 CO₂、生物质糖、废塑料等合成单体，实现“负碳”聚合物；
• 结构：扭曲双层石墨烯、MXene、硼烯等新型 2D 材料与 CPs 搭积木，构筑“范德华异质结-共价键杂化”多级结构；
• 器件：3D 打印柔性催化电极、可编织光催化纤维，实现“净水-发电”一体化可穿戴设备；
• 系统：耦合光伏-电催化-吸附-杀菌多功能模块，打造分布式“阳光驱动水厂”，为偏远地区提供离网清洁饮水与绿色氢能。
  

七、结语
导电聚合物与碳纳米材料的“联姻”已显示出制氢、捕碳、净水“三位一体”的巨大潜能。随着绿色合成、精准组装和器件集成技术的突破，这类轻质、柔性、可溶液加工的新一代功能材料有望同时回答“能源危机怎么办”和“清洁水从哪来”两大时代之问，为碳中和与可持续发展提供一条经济可行的“材料方案”。