Commun Eng:Upcycling end-of-life vehicle waste plastic into flash graphene.pdf

一、亮点/创新点

本篇文献的亮点和创新之处在于它提出了一种将生命周期末期汽车废弃塑料通过闪蒸焦耳加热技术高效转化为闪蒸石墨烯的方法。这一过程不需要对塑料进行分类或分离，且无需使用溶剂或水，具有环境友好和成本效益高的特点。通过将所得石墨烯作为增强剂加入到汽车用聚氨酯泡沫复合材料中，不仅提高了复合材料的拉伸强度和低频噪声吸收性能，而且还展示了该方法在持续循环利用方面的潜力。此外，通过进行前瞻性的生命周期评估，文献还表明，与传统的石墨烯合成方法相比，该方法在减少能源需求、水使用以及全球变暖潜力方面具有明显优势。

二、研究背景

本篇文献的研究背景主要包括以下几个方面：

（1）全球汽车数量的增长：随着入门成本的降低和全球生活水平的提升，汽车拥有量达到历史新高，全球约有14亿辆乘用车在使用中。

（2）生命周期末期汽车（ELV）的环境问题：ELV由于其构造的异质性和不断提升的耐用性，呈现出复杂的环境问题。在美国，截至2020年，通过去污（移除液体和电池）和拆卸可以去除原始车辆重量的10%-30%，而剩余部分则被粉碎。粉碎后，大部分金属内容可以回收，但剩余的ELV（约占原车重的12%至32%）通常被填埋。

（3）汽车中塑料使用量的增加：过去6年中，车辆中使用的塑料量增加了大约75%，每辆车约350公斤，目的是为了减轻重量，改善燃油经济性。ELV废塑料（ELV-WP）是车辆中最大的非回收材料，新一代聚合物复合材料的增加使得通过传统方法回收ELV-WP变得更加困难。

（4）回收成本和策略：ELV-WP的回收或升级回收在经济上不受青睐，主要是因为原料分选的高成本。尽管一些国家设定了强制性的回收/回收目标以尽量减少环境影响并最大限度地回收资源，但几乎所有欧盟成员国都未能达到2015年之前回收ELV原材料重量95%的指导方针。

（5）对策和技术：尽管存在上述挑战，但学术界和汽车行业已经提出了多种策略。特别是，聚丙烯作为汽车应用中最常用的塑料，引起了学术界的极大兴趣，因为许多保险杠都是由聚丙烯制成的，这使得回收单一类型的塑料变得更加容易。

（6）高价值的上游产品和能源及材料开销低的需求：为了在高度变化的区域法规之外促进ELV-WP的修复，应伴随着最小的分离要求、低成本基础设施以及低能源和材料开销的高价值上游或回收产品。

综上所述，本研究背景指出了全球汽车数量的增加、ELV带来的环境问题、汽车中塑料使用量的增加、回收成本和策略的挑战，以及对策和技术的发展，特别强调了对高价值上游产品和减少能源及材料开销的需求。

三、研究方法

本篇文献的研究方法主要包括以下几个步骤：

（1）化学和材料准备：使用来自Ford F-150的真正的终生车辆废塑料（ELV-WP），这是一种广泛混合的塑料类型，未经任何进一步处理如排序或冲洗。此外，使用了未经进一步纯化的冶金焦（metcoke）作为导电性增强剂。

（2）闪蒸石墨烯（FG）的合成：构建了一个定制的低电流/高电流（LC/HC）闪蒸焦耳加热（FJH）反应器来将ELV-WP转化为石墨烯。使用低电流长时间加热（LC-FJH）来碳化ELV-WP，然后在同一反应器中使用直流高电流短时间加热（HC-FJH）将碳化的ELV-WP转化为石墨烯。

（3）特性分析：所有的拉曼光谱都是从未暴露于溶剂的样品中收集的。使用带有5mW 532 nm激光的Renishaw inVia拉曼显微镜和×50光学物镜来收集高倍率光谱。此外，还进行了X射线衍射（XRD）谱、热重分析（TGA）和扫描电子显微镜（SEM）图像的收集，以及X射线光电子能谱（XPS）数据的收集。

（4）聚氨酯泡沫（PUF）的制备：使用FG粉末作为填料，通过石油聚醇和异氰酸酯的反应制备PUF。在混合后，将混合物移至模具中并加热，以生成具有不同石墨烯装载水平的PUF样品，以确定石墨烯对机械、热和其他物理性质的影响。

（5）生命周期评估（LCA）：进行了一项前瞻性的LCA，将从FJH生产的FG与通过超声分散或通过氧化成石墨烯氧化物后经化学还原产生的石墨烯进行了比较。该研究的目标是比较这三种替代石墨烯合成途径的从摇篮到大门（cradle-to-gate）影响，因此排除了石墨烯的使用和处理。此外，还评估了累积能源需求（CED）、全球变暖潜能（GWP）和累积水使用（CWU）。

这些研究方法共同构成了一种从ELV-WP到FG的高效转化过程，并通过生命周期评估展示了该方法与传统石墨烯合成方法相比在环境影响上的优势。

四、研究结果和主要结论

本篇文献的研究结果和主要结论如下：

（1）高质量的闪蒸石墨烯制备：通过简单且快速的无溶剂合成方法从生命周期末期汽车废塑料（ELV-WP）成功制备出高质量的闪蒸石墨烯（FG）。通过设计和组装具有低电流/高电流（LC/HC）闪蒸焦耳加热（FJH）反应器实现，进一步将所得石墨烯整合入聚氨酯泡沫（PUF）复合材料中，显著提高了物理和机械性能。

（2）连续循环升级：通过将ELV-WP-FG-PUF复合材料再次使用FJH过程转换成FG，进一步证明了连续循环升级的可行性。这一过程不仅展示了材料利用的持续性，还展示了从废塑料到高价值石墨烯的有效转化。

（3）生命周期评估结果：前瞻性生命周期评估（LCA）表明，与超声分散法和化学剥离法相比，FJH过程在累积能源需求（CED）、全球变暖潜能（GWP）和累积水使用（CWU）方面均显示出显著降低，分别减少了88%、85%和93%。这些结果证明了FJH方法在提高可持续性方面的巨大潜力。

（4）主要结论：研究成功证明了一种从生命周期末期汽车废塑料到高质量闪蒸石墨烯的高效转化方法。该方法通过简单且快速的无溶剂合成途径实现，不仅显著提高了物理和机械性能，而且通过前瞻性的生命周期评估展示了与传统石墨烯合成方法相比，在环境影响方面的显著优势。

五、后续研究改进

在未来研究中，本文提出了一些可能的改进和进一步的研究方向，包括：

（1）提高分散性和复合材料的性能：虽然已经证明了利用闪蒸焦耳加热（FJH）过程制备的闪蒸石墨烯（FG）在聚氨酯泡沫（PUF）中作为增强材料的有效性，但进一步优化这些复合材料的制备方法，以提高FG的分散性和最终复合材料的性能，仍然是后续研究的重要方向。

（2）环境影响的全面评估：尽管进行了前瞻性的生命周期评估（LCA），表明FJH方法相对于传统的石墨烯生产方法在减少能源需求、全球变暖潜力和水使用方面具有显著优势，但进一步详细的环境分析将有助于推动石墨烯合成过程的改进和发展。特别是，考虑到不同合成方法的副产品处理方式可能会对环境产生不同程度的影响，未来研究需要对这些方面进行更全面的评估。

（3）持续循环升级的推进：本研究已经展示了通过FJH过程实现从ELV-WP到FG，再从FG增强的PUF复合材料回到FG的连续循环升级的可行性。未来研究可以进一步探索这一循环利用过程的优化，以提高效率和经济性，同时保持FG的高质量。

（4）探索FG的其他应用：虽然本研究主要集中在FG作为PUF复合材料增强剂的应用，但FG由于其独特的物理和化学性质，有潜力在许多其他领域发挥重要作用。未来研究可以探索FG在其他类型的复合材料、能源存储和转换设备、环境治理等领域的应用潜力。

（5）技术的商业化和规模化生产：虽然本研究证明了利用FJH过程从ELV-WP生产FG的可行性，并已经开始进行规模化生产的尝试，但如何进一步优化这一过程以满足工业生产的需求、降低成本并实现商业化，仍然是未来研究需要关注的重要问题。

这些潜在的改进和后续研究方向将有助于进一步推动从废弃塑料到高价值石墨烯的转化技术的发展，同时促进环境可持续性和资源循环利用。