传统材料工业以“高性能”和“高消耗”为特征，能量输入上依赖于化石能源，原料上依赖于不可再生的矿产资源。这导致了一系列的能源、资源和环境问题，例如材料制备过程的高能耗、关键原材料的枯竭、温室气体的高排放、水/空气/土壤污染等。从范式上降低材料生产、转化和应用过程对环境造成的负面影响，实现关键原材料的循环再利用，达到“生产-应用-回收-再生产”的闭环，是确保可持续性发展和绿色循环经济的重要途径。基于此背景，一个重要的解决思路是材料合成、制程和回收过程的电气化。相对于传统能源，电能是高效、清洁的能源利用方式，也是面向碳中和的脱碳技术的核心。课题组面向环境和材料化学的交叉领域，聚焦固体废弃物资源化利用，致力于开发基于电能的新型低碳电气化方法，包括电热技术和电化学技术，用于资源高效利用、废弃物循环回收和升级转化。具体研究方向包括：（1）战略性关键金属材料（贵金属、稀土金属、电池金属）的循环回收和选择性分离；（2）风电和光伏等新能源产业固体废弃物的升级利用；（3）塑料、橡胶等富碳固废升级转化为高价值功能碳材料；（4）固体废弃物无害化处理以及污染修复。
1. 先进电热技术用于战略性关键金属材料的循环回收和选择性分离
清洁能源和低碳技术是我国实现“双碳”目标的两条重要路径。不同于传统化石能源主要依赖于石油煤炭等，清洁能源和低碳产业对战略性关键金属资源的需求巨大。这些关键金属包括：锂、钴、镍等能量存储金属，镓、铟、稀土等风电光电金属，铂族贵金属等氢能和燃料电池催化金属。然而，众多战略金属储量高度集中于澳大利亚、南美、非洲等国家或地区，其供应不稳定、易受到国际政治局势等影响。基于热能的技术（例如火法冶金、有机物热解）是当前金属回收和固废利用的重要方法。然而，基于燃烧熔炉的火法冶金过程存在热利用效率不够高、缺乏选择性等局限性。我们致力于开发基于高温电热技术的战略性关键金属回收和分离的新方法。我们提出了电热蒸发分离方法，实现了电子垃圾中贵金属回收和重金属消除，能耗低至传统火法技术1/80（Nature Communications 2021, 12, 5794）。我们开发了电热高温化学转化技术，实现了工业固废中稀土金属高效率回收，并显著降低了酸消耗量（Science Advances 2022, 8, eabm3132）。我们提出了电热氯化分离技术，实现了复杂废弃物体系中战略性关键金属的选择性分离回收（ Nature Chemical Engineering, 2024, doi: 10.1038/s44286-024-00125-2）。未来我们拟开发基于低碳电热技术的精准控温电热方法，实现战略性关键金属的选择性分离回收，为我国的战略金属资源可持续发展做出贡献。
2. 超快速电热方法实现塑料、橡胶等富碳固废升级转化为高价值功能碳材料
全世界每年产生超过34亿吨固体废弃物，其中绝大部分固体废弃物都为富碳有机物，包括44%生物质、12%塑料、2%橡胶等。这些富碳有机物的自然降解会产生微塑料、小分子有机污染物、CO2等。发展将富碳固体废弃物升级转化为高价值材料，是实现资源二次利用同时避免环境污染的重要方向。传统的热处理技术通常能耗较高，难以实现产品价值和能耗成本的平衡。发展新型的高能效热转化技术，并且提高转化产物的附加值，是塑料等富碳固废材料化升级利用的关键。我们开发了超快闪光焦耳热技术，可在秒级时间尺度上实现化学转化和材料制备（Nature Communications 2022, 13, 262; Nature Communications 2022, 13, 5027; Nature Sustainability 2024, 7, 452）。我们拟开发超快电热方法，实现富碳有机固体废弃物快速转化为功能纳米碳材料，该方法将适用于塑料、橡胶、木制品、织物等多种富碳有机物。与此同时，低成本功能纳米碳材料可进一步用于碳捕获、环境催化、重金属吸附和分离等环境修复领域。
3. 新型高温电热方法实现危险固废和土壤中多重污染物的同步消除
热处理方法广泛应用于有害固体废弃物处理和污染土壤修复，例如，热脱附技术以加热方式将受有机物污染的土壤加热至有机物沸点以上使吸附土壤中的有机物挥发成气态后再分离处理，焚烧法将污染物质在焚烧炉中焚烧使高分子量的有害物质分解成挥发性和半挥发性的性质。通常热脱附技术（包括电阻加热、热传导加热、蒸汽强化加热等）适用于挥发性或半挥发性污染物的消除，难以同时实现有机物和难挥发的重金属的同步消除。我们致力于开发新型的高温直接电热方法用于污染土壤中重金属和持久性有机污染物的同步蒸发消除（Nature Communications 2023, 14, 6371），并进一步利用土壤中固有的钙和其他碱金属实现土壤中全氟或多氟烷基物质的矿化消除（Nature Communications 2024, 1, 6117）；我们也致力于将高温电热技术用于大宗工业固废例如粉煤灰中重金属的消除并实现其再利用（Communications Engineering 2023, 2, 13）。
