摘要：全球每年生产的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）超过8200万吨，但95%在一年内成为废弃物，且仅有不到30%被回收。传统的机械回收方法虽能高效处理，但往往只能得到低附加值产品，无法满足高功能、高价值应用的需求。尤其是在开发具有光学功能性的再生材料方面，仍存在发光
全球每年生产的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）超过8200万吨，但95%在一年内成为废弃物，且仅有不到30%被回收。传统的机械回收方法虽能高效处理，但往往只能得到低附加值产品，无法满足高功能、高价值应用的需求。尤其是在开发具有光学功能性的再生材料方面，仍存在发光效率低、稳定性差等重大挑战。
近日，湖南工业大学刘跃军教授、浙江大学郑强教授、吴子良教授和中山大学JinLongming合作提出了一种创新的废弃PET瓶升级回收策略，通过将多环芳烃（PAHs）掺入再生PET基质中，成功制备出具有超长有机磷光（UOP）性能的高功能聚合物材料。该系统在室温下实现了5.01秒的余辉寿命和18.3%的余辉量子产率，展现出良好的光学、热学和机械性能，可用于多种柔性光电子应用中。相关论文以“Functional Upcycling Discarded Poly(Ethylene Terephthalate) Bottles for Ultralong Organic Phosphorescence Polymer Elements”为题，发表在
Advanced Functional Materials上，论文第一作者为Yang Yunlong。示意图1. 废弃PET瓶升级回收为持久发光聚合物的流程示意图：包括 i) 材料转化方案，ii) 可控制备路径，以及 iii) 多方面应用。
研究团队首先将废弃PET瓶破碎成片，并通过熔融共混将不同PAHs掺杂到R-PET中。图1展示了五种PAH掺杂剂（TP、PA、FA、COR、Py）的分子结构及其三重态能级，以及COR@R-PET在不同浓度下的延迟发光光谱。在0.05 wt%的最佳掺杂浓度下，COR@R-PET表现出最强的延迟发光强度和创纪录的寿命。所有PAH@R-PET复合材料在紫外激发后均显示明显的荧光和延迟发射，其中TP和PA体系还出现了显著的红移现象。
图1. PAHs在R-PET中的光物理性质。a) 掺杂剂（TP、PA、FA、COR、Py）的结构与计算三重态能级；b) 不同浓度COR@R-PET的延迟光致发光（PL）光谱；c) 所有掺杂体系（0.05 wt%）在365 nm激发下的归一化延迟PL光谱；d) 延迟发射衰减曲线和 e) 所有掺杂聚合物的余辉图像。
图2对比了COR在原始PET和再生R-PET中的光物理性能。两者在紫外-可见吸收谱中表现出相似的特性，表明发光团均匀分散。尽管R-PET分子量较低，但其延迟发光强度甚至略高于原始PET，归因于分子链段堆叠增强了对非辐射衰变的抑制。此外，材料还显示出可见光激发的室温磷光性能，具备良好的生物相容性和实际应用潜力。
图2. COR@PET与COR@R-PET薄膜的光物理与温度依赖发光特性。a) 紫外-可见吸收谱，插图为薄膜透明度照片；b) 稳态PL光谱；c) 延迟PL光谱；d) 延迟PL衰减曲线；e,f) 激发-磷光映射图；g) 温度依赖延迟PL光谱；h) 不同温度下的寿命曲线；i) 不同温度下余辉的CIE色坐标；j) 不同温度下的余辉图像。
图3通过理论计算揭示了COR的激发态特性及其与PET之间的相互作用。TD-DFT计算表明，COR存在双通道的系间窜越和反向系间窜越过程，有利于 triplet 激子的生成与稳定。自然跃迁轨道和减少密度梯度分析进一步证实了电子-空穴分离和π–π堆叠等非共价相互作用的存在，这些因素共同抑制了非辐射衰减，提升了发光性能。
图3. COR及COR/PET体系的机制研究。a) COR激发态能级与自旋轨道耦合及ISC路径示意图；b) S₁和T₁态的电子-空穴密度等值面；c) COR与PET之间的非共价相互作用的RDG等值面；d) COR与PET之间的非共价相互作用（NCI）可视化。
图4评估了材料的热稳定性和机械性能。热重分析和差示扫描量热结果表明，掺杂后的PET和R-PET在分解温度、玻璃化转变温度和熔点方面与原始材料相当，说明掺杂过程未损害其本征热学性能。力学测试显示，COR@R-PET薄膜和纤维仍保持良好的拉伸强度和断裂伸长率，虽略低于原始PET，但仍满足大多数柔性器件的应用需求。
图4. COR@R-PET与COR@PET的热稳定性、力学性能与微观结构。a) TGA曲线；b) DSC二次加热曲线；c) 力学测试装置照片；d) 薄膜厚度与纤维直径测量；e) 薄膜应力-应变曲线；f) 纤维应力-应变曲线；g) 截面SEM形貌。
图5展示了COR@R-PET在多个实际场景中的应用潜力。通过热压、熔纺和熔喷技术，团队成功制备出透明薄膜和连续纤维，并进一步加工成刺绣图案、编织纺织品和多级信息加密模块。这些材料不仅具备长余辉发光性能，还能随温度变化发生发光颜色转变，在穿戴显示、防伪标识、紧急照明等领域展示出广阔前景。
图5. COR@R-PET元素的潜在应用示意图。a) 废弃PET瓶制备透明薄膜与纤维的流程；b) COR@R-PET纤维刺绣图案的余辉发射；c) 温度依赖的刺绣图案余辉图像；d) 纺织物上的发光标识；e) 大面积透明薄膜的发光效果；f) 多级数据加密系统；g) 应急照明应用。
该研究成功将废弃PET瓶转化为高性能长效发光材料，在不牺牲PET本身光学和机械性能的前提下，实现了材料的功能化升级。通过理论模拟与实验验证，团队揭示了发光增强的机制，并开发出具有温度响应特性的薄膜与纤维产品。这项工作不仅为PET废弃物的高值化回收提供了可行路径，也拓宽了超长有机磷光材料在柔性光电子、加密防伪和智能纺织品等领域的应用前景。
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来源：秋霞聊科学