论文题目：Exploring the potential of low-dimensional materials from cigarette butts for energy applications: a comprehensive review

期刊：Advanced Powder Materials

DOI：https://doi.org/10.1016/j.apmate.2025.100295

微信链接：https://mp.weixin.qq.com/s/YpkJ2736QOALAlUafMAUDg

一、文章摘要

以元素碳为主要成分的碳基低维材料（CLDM）具有独特的物理和化学性质，成为了能源、环境保护和信息技术等众多领域的研究重点。值得注意的是，烟头（CBs）的主要成分醋酸纤维素是一种具有大比表面积和高长径比的一维前体材料。然而，在此之前，它们作为建筑填充材料的用途常常被低估。这篇综述总结了烟头回收利用的最新进展，并就其作为可再生能源领域中碳基低维材料的应用提供了指导建议。具体而言，我们首先阐述了烟头作为生活污染物所带来的有害影响，以强调合理回收的重要性。接着，我们总结了以往处理烟头废料的方法，包括用于制作粘土砖、沥青混凝土路面、石膏、隔音材料、化学吸附、病媒控制以及腐蚀控制等方面。烟头的潜在应用包括摩擦电纳米发电机应用、柔性电池、增强型金属有机框架材料储能装置以及碳基储氢等方面。最后，本文探讨了利用烟头衍生的碳基低维材料相较于传统解决方案在能源领域的优势。这篇综述将为解决烟头处理这一棘手问题以及降低可再生材料的制造成本提供新的途径。

二、研究背景

碳基低维材料（CLDM）是一类具有独特物理和化学性质的先进材料，已成为能源、环境保护和信息技术等众多领域的重要研究对象。碳基低维材料的典型代表包括石墨烯、碳纳米管和富勒烯，主要由单层或多层以sp2杂化的碳原子构成，即使在强酸和强碱环境中也表现出优异的导电性、高导热性以及化学稳定性。值得注意的是，碳基低维材料的结构可以通过化学修饰来改变其物理和化学性质，这为其在催化和能量存储领域开辟了无限可能。然而，碳基低维材料在制备和大面积生长方面存在的特定技术难题，阻碍了其大规模的商业应用。

烟头（CBs）是一种在全球范围内普遍存在的污染物，主要由醋酸纤维素（CA）和燃烧产生的有毒物质组成（图 1）。值得注意的是，醋酸纤维素作为纤维素的一种，本质上属于碳基低维材料。早在2012年，全球9.67亿烟民每年大约消耗6.25万亿支香烟。中国是世界上最大的香烟消费市场，根据《烟草地图集》的最新数据（https://tobaccoatlas.org），2016年中国生产了约2355亿支香烟，销售额达到17903.24506624 亿元人民币。到2022年，中国的年香烟产量达到2370.9亿支，同比增长2.6%。在以往的研究中，烟头常被忽视，仅用作建筑填充材料。然而，其含有的醋酸纤维素是一种具有大比表面积和高长径比的一维前驱体。此外，纳米纤维素因其优异的成膜性能、表面丰富的活性官能团以及物理缠结作用，可以进一步加工成二维或三维材料（水凝胶和气凝胶）。值得注意的是，纳米纤维素可用作载体材料，负载杂原子或金属原子，从而提高其催化活性和稳定性。重要的是，将烟头衍生的醋酸纤维素转化为低维碳基材料（如类石墨烯片或多孔碳纳米纤维），为能量存储应用提供了独特的优势。通过可控的碳化和化学活化过程，这些材料的分级孔结构显著提高了电荷存储能力和离子传输动力学性能。从残留烟草成分中引入杂原子（如氮、硫）或通过有意掺杂，进一步提高了材料表面的氧化还原活性和润湿性，增强了能量存储材料的活性。根据以往的报道，纳米纤维素已被用作超级电容器、电池的电极材料以及电解质膜材料。因此，全球大量存在的烟头有可能成为碳基低维材料大规模商业化的解决方案。

这篇综述旨在概述烟头回收利用的最新进展，并为其作为低维材料在能源相关领域的应用提供指导方针。具体而言，我们首先描述了烟头作为生活中的污染物所带来的有害影响，以强调合理回收的重要性。接下来，我们总结了以往对烟头废料的回收方法，包括用作粘土砖、沥青混凝土路面材料、石膏、吸音材料、化学吸附材料、病媒控制材料和腐蚀控制材料。然后，我们总结了其在能源领域的潜在应用，如摩擦纳米发电机（TENG）、柔性电池、增强型金属有机框架（MOF）材料储能器件以及碳基储氢。最后，我们总结了利用烟头衍生的低维材料在能源领域相较于传统方案的优势。我们希望这篇综述能够为解决棘手的烟头问题提供新的思路，并能够降低能源/储能材料的制造成本。

图1. 环境中废弃烟头的归宿和潜在影响。

三、创新点

1、创新性地将烟头视为合成低维材料的前驱体。研究发现，烟头主要成分醋酸纤维素可作为制备低维材料的原料，有望转化为如石墨烯片或多孔碳纳米纤维等材料，用于储能领域。这种新用途不仅为烟头处理提供了高附加值的方向，还为低维材料的大规模商业化提供了潜在的解决方案。

2、利用烟头衍生物表面的功能基团或杂原子，协同增强催化性能。通过将醋酸纤维素引入Zr-MOFs等催化剂体系，形成界面优化的复合材料，其中纤维素的含氧基团与Zr4+离子形成强配位相互作用，促进光生电子转移，提升催化性能。这为烟头在分子催化剂领域的大规模应用开辟了新方向。

3、烟头中的金属离子可成为氢能存储的活性位点，为同时回收醋酸纤维素和重金属物质提供了新方向。这种自掺杂特性为开发新型储能材料提供了思路，有望在能源存储领域实现资源的高效利用和环境友好的可持续发展。

四、文章概述

4.1 目前烟头的回收方案

烟头带来的主要是醋酸纤维素释放的微塑料以及烟头滤液的生物毒性。首先总结了当前的回收方案，包括粘土砖、路面、石膏、吸音材料、化学吸附、病媒控制和腐蚀控制。

图2. 掺有烟头的混凝土砖。（a）为回收利用而准备的不同尺寸和品牌的混凝土砌块；（b）研究中使用了一组钢模具；（c）含0%、2.5%、5%和 10%烟头的混凝土砖截面图；(d) 抗压强度与混凝土砖质量百分比的关系。

图3. 掺入烟头的沥青混凝土路面。（a）封装碳黑的沥青；（b）流动性和稳定性测量；（c）在回弹模量测试装置中的样本；（d）不同因素影响的Mar效应

图4. 烟头石膏复合材料。（a）清洁后的烟头；（b）模具中的样品；（c）性能测试；（d）密度与表面硬度的相关性。

图5. 烟头作为吸音材料。（a）在阻抗管中测量的样品图像；（b）不同样品的吸收系数变化。

图6. 用于吸附污染物烟头。（a）由废弃烟头合成不同形式纤维素的示意图；（b）样品吸附容量测试；（c）磷酸处理后样品的扫描电镜图像；（d）水溶液中的吸附量随初始浓度的变化。

4.2 烟蒂衍生低维材料的潜在应用

4.2.1 自驱动摩擦纳米发电机

在21世纪，以信息技术和5G技术的快速进步为标志，社会正逐渐进入物联网、大数据和人工智能时代。然而，传统的发电方式已无法满足供电需求，必须开发新的分布式能源，以实现对众多分散的电子设备的持续可靠供电。基于此，自驱动系统应运而生，因为它无需外部能源，它仅依靠设备自身的能量来实现系统的独立、无线和可持续运行。研究人员已经开展了大量工作来提高摩擦纳米发电机的输出功率。这些研究工作包括确定具有较大功函数差异的最佳材料配对、增加组成材料之间的界面接触面积以及设计高效的器件架构。此外，低维材料（石墨烯、碳纳米管、纤维素等）因此展现出独特的物理、化学和机械性能，引起了研究人员的广泛兴趣。由于其在电子传输中具有高载流子迁移率和低电阻率，低维材料还可以为摩擦纳米发电机提供额外的协同性能。

图7. 烟头可潜在制备的摩擦纳米发电机。（a）3D渲染模型；（b）基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）和碳纳米纤维（CANF）的摩擦纳米发电机装置的实际图像；（c）摩擦纳米发电机的输出电压；（d）具有金字塔微结构的摩擦纳米发电机在不同负载电阻下的功率密度；（e）循环稳定性；（f）由烟头制备摩擦纳米发电机；（g）摩擦纳米发电机的输出电压和电流性能；（h）循环稳定性；（i）用于压力传感器以检测人类活动的摩擦纳米发电机。

4.2.2 有机污染物的光催化降解

光催化技术被认为是解决能源和环境问题最有前途的方法之一。近年来，薄膜催化剂被广泛研究，以解决传统粉末催化剂难以回收的问题。特别是，薄膜光催化剂与粉末光催化剂相比具有许多优势，包括由于材料消耗减少而具有成本效益、消除了降解后昂贵的回收和再捕获过程、物理损坏的可能性较低、随着时间的推移具有更高的耐久性和效率、易于集成到各种系统中、可调节的材料特性以及设备小型化的潜力。醋酸纤维素作为烟头的主要成分，由烟头制成的薄膜具有良好的亲水性、合适的机械强度和优异的成膜性能，是作为制备薄膜光催化剂的理想前驱体。

图8. 烟头在光催化降解有机污染物中的应用前景。（a）膜表面的SEM图像；g-C3N4纳米片/RGO复合膜的数码照片。（b）不同条件下不同膜对RhB的去除效果。（c）膜分离过程及光催化与膜过滤集成过程中对双酚A的去除。（d）碳氮化物/醋酸纤维素（CN/CA）薄膜的制备过程示意图，以及在可见光照射下CN/CA薄膜上光催化有机染料氧化和产氢的示意图。（e）CN/CA-0.5复合膜在去除RhB的图像。（f）AgCl晶体在静电纺丝纤维上原位生长的示意图以及在可见光照射下基于醋酸纤维素的Ag@AgCl晶体对有机染料的光催化降解机制。

4.2.3 高性能储能设备

（1）柔性储能设备

可植入、可穿戴和便携式电子设备在商业市场中迅速崛起。为新兴电子产品提供动力需要灵活、功能性和可靠的电化学储能（EES）设备。纳米纤维素具有优异的机械性能（强度为 2 - 3 GPa）、低密度（1.6 g/cm³）、高比表面积（200-300 m²/g）和低热膨胀系数（1 ppm/K），使其成为柔性功能化合物的理想构建块。其主要应用于柔性电极、电解质和隔膜。同时，开发柔性电极是实现高性能柔性储能设备的关键。

图9. 基于纤维素的柔性电极。（a）在10 A g?¹的电流密度下经过5000次充放电循环的电容保持率。（b）纤维素的形态从纤维（碳化前）到碳化后变为球形颗粒的变化。（c）样品在反复弯曲和压缩过程。（d）基于具有解耦离子和电子转移路径的导电纳米纤维网络的所得紧凑型纳米纸电极的分层网络结构。（e）面积与体积能量密度图，比较各种基于磷酸铁锂（LFP）的阴极。

图10. 基于醋酸纤维素的柔性电极。（a）聚苯胺纳米线/聚酰胺/醋酸纤维素薄膜制备的示意图。（b）聚苯胺纳米线/聚酰胺/醋酸纤维素柔性透明电极的电容保持率。（c）柔性银纳米颗粒/醋酸纤维素电极制备的示意图。（d）银纳米颗粒/多壁碳纳米管/醋酸纤维素的电容保持率。（e）电极材料制备过程示意图。（f）样品在不同弯曲角度和折叠周期下的照片。

（2）用于电能存储设备的增强型金属有机框架材料

金属有机框架（MOF）材料是高度有序的多孔晶体材料。除了传统无机多孔材料的优势外，MOF 具有广阔的多孔表面积、结构化的均匀空间和丰富的活性位点。同时，由于 MOF 的可调节性，可以通过选择合适的有机配体和金属位点来设计具有理想框架结构和功能的 MOF 材料。因此，它们在能量存储方面有广泛的应用。然而，有限的活性位点和较差的导电性阻碍了其相对实际的应用。纳米纤维素可以用作交叉线导电网络或柔性支撑框架。因此，基于纳米纤维素的 MOF 复合材料将用于电能存储。

图11. 用于电能存储设备的增强型MOF材料。（a）纤维素/氧化石墨烯/ZIF-8的合成过程衍生出高导电性集成薄膜电极。（b）具有3D互连网络和分级多孔结构的碳气凝胶的制备示意图。（c）来自绿藻的CNF以及与用于柔性储能设备的导电MOF的复合物的示意图。（d）Co3O4@N-CNFs的制备过程性质。

五、启示

本文针对烟头的回收提出了三个战略研究方向：（1）先进的表征技术：开发原位光谱方法来研究低维材料合成过程中杂质的演变，实现有害成分的有针对性去除或功能化。（2）循环设计框架：建立闭环系统，在确保生命周期结束后的可回收性的同时，为特定应用设计源自烟头的低维材料。（3）环境科学家和材料工程师之间的跨学科合作对于在生态影响和技术可行性之间取得平衡至关重要。总之，未来的烟头回收计划应更加注重烟头的整体回收，以降低能源/催化领域中低维材料的制造成本，同时解决棘手的烟头问题。

引用信息：Ye Chen, Shilong Li, Congxin Xia, Miao Tian, Yaxin Guo, Xupo Liu, Mingjin Cui, Shixue Dou, Hanleem Lee, Vadivel Subramaniam, Krishnamoorthy Ramachandran, Xinghui Liu. Exploring the potential of low-dimensional materials from cigarette butts for energy applications: a comprehensive review, Adv. Powder Mater. 4 (2025) 100295. https://doi.org/10.1016/j.apmate.2025.100295

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原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772834X25000314