Flash Graphene from Plastic Waste

从塑料废物中闪速制备石墨烯

第一作者: Wala A. Algozeeb, Paul E. Savas, Duy Xuan Luong, Weiyin Chen, Carter Kittrell, Mahesh Bhat, Rouzbeh Shahsavari

通讯作者: James M. Tour* (Rice University)

DOI: 10.1021/acsnano.0c06328

PDF原文

期刊: ACS Nano

发表年份: 2020

论文亮点

• 采用闪速焦耳加热（FJH）技术，无需催化剂即可将塑料废物转化为高质量石墨烯，过程简单且适用于混合塑料。
• 能量消耗低（约23 kJ/g），每吨塑料废物的电力成本约125美元，经济可行，易于规模化。

研究背景

• 塑料废物污染是21世纪最紧迫的环境问题之一，大量塑料进入垃圾填埋场和海洋，形成微塑料威胁生态系统和人类健康。
• 传统塑料生产碳足迹高，回收方法（如物理回收和化学回收）存在缺点，如需要分类、能量消耗大、催化剂中毒等，仅9%的塑料被回收。
• 急需开发环保的升级回收技术，将塑料废物转化为高价值材料，以减少环境污染和温室气体排放。

研究方法

研究采用闪速焦耳加热（FJH）技术将塑料废物转化为石墨烯，具体步骤包括：

• 材料准备: 收集各种塑料废物（如PET、HDPE、PVC等），使用商业研磨机研磨成粉末（颗粒尺寸1-2 mm），并与5 wt% 碳黑（CB）混合以增加导电性。CB可用先前反应生成的FG替代。
• AC-FJH过程: 将混合粉末装入石英管中，置于两个铜电极之间，施加120V、60Hz的交流电（AC）加热8秒，在真空室（约10 mmHg）中进行，以去除挥发物并形成中间体AC-FG。
• DC-FJH过程: 对AC-FG施加直流电（DC）脉冲（110V，500ms放电），使用电容银行（10个电容，450V，60mF），将中间体转化为高质量涡轮层状石墨烯（tFG）。
• 表征分析: 使用拉曼光谱、X射线衍射（XRD）、热重分析（TGA）、透射电子显微镜（TEM）、X射线光电子能谱（XPS）和傅里叶变换红外光谱（FTIR）对产物进行表征。
• 分散性测试: 将FG分散在1% Pluronic F-127水溶液中，通过超声和离心处理，测量分散浓度。
• 复合材料应用: 将FG与波特兰水泥混合，测试复合材料的抗压强度。

主要结论

• FJH技术能有效将混合塑料废物转化为高质量涡轮层状石墨烯（tFG），产率可达22-27%，无需催化剂或高温炉，能量消耗低（23 kJ/g）。
• 石墨烯具有高纯度、高稳定性（热分解温度约625°C）和低毒性，易于分散在液体中，可用于增强复合材料（如水泥抗压强度提高30%）。
• 过程经济可行，每吨塑料废物的处理成本约125美元，有望规模化应用，减少塑料污染和温室气体排放。

Figure 1: AC-FJH过程示意图和FG产率分析

内容描述: Figure 1展示了AC-FJH电路的示意图（a），以及不同塑料的FG产率分析。（b）显示HDPE粉末在不同颗粒尺寸下的AC-FG产率，颗粒尺寸1-2 mm时产率最高（23%）。（c）显示初始电阻对AC-FG产率的影响，压缩降低电阻可提高产率。（d）显示不同热塑性塑料的AC-FG产率，与材料热稳定性相关。（e）展示消费后塑料从原始状态到转化为FG的过程图片。

分析结果: AC-FJH过程成功将塑料废物转化为FG，产率受颗粒尺寸和初始电阻影响。混合塑料无需分类即可处理，证明了技术的通用性和可行性。

Figure 2: 拉曼光谱分析AC-FG和ACDC-tFG

内容描述: Figure 2展示了AC-FG和ACDC-tFG的典型拉曼光谱。（a）AC-FG的拉曼光谱显示宽的2D和G带以及明显的D带。（b）ACDC-tFG的拉曼光谱显示尖锐的2D和G带，D带强度低，表明高质量tFG。（c）从PVC获得的ACDC-tFG拉曼光谱，I2D/IG峰值比高达6，显示涡轮层状结构。（d）AC-FJH过程的温度曲线，使用IR光谱仪测量，温度可达约2900K。

分析结果: DC-FJH处理显著提高了FG质量，减少了 disorder，形成涡轮层状石墨烯。高温过程（2900-3100K）促进了碳键重排和纯化。

Figure 3: XRD、TGA和XPS分析ACDC-tFG

内容描述: Figure 3展示了ACDC-tFG的XRD、TGA和XPS分析。（a）XRD显示ACDC-tFG的（002）峰在26.1°，层间距3.45Å，表明涡轮层状结构。（b）TGA显示在空气中热分解起始于625°C，表明高结晶度和低缺陷。（c）XPS survey扫描显示纯碳组成，无异质原子。（d）高分辨率C 1s XPS显示主要峰在284.5eV（C-C/C=C）， trace峰在286.5eV和288eV（C-O和O-C=O）。

分析结果: ACDC-tFG具有高纯度、高 thermal stability 和涡轮层状结构，适用于复合材料。XPS证实无杂质，即使从含氯PVC中制备也无氯残留。

Figure 4: TEM图像和颗粒尺寸分析

内容描述: Figure 4展示了AC-FG和ACDC-tFG的TEM图像和颗粒尺寸分布。（a）AC-FG的TEM图像显示石墨烯片，平均尺寸16nm。（b）AC-FG的颗粒计数（n=100）。（c）ACDC-tFG的TEM图像显示更大的片状结构，平均尺寸27nm。（d）ACDC-tFG的颗粒计数（n=100）。

分析结果: DC-FJH处理促进了石墨烯片的横向生长，增加了尺寸和层数（平均6层），减少了边缘密度，与拉曼光谱中D带强度降低一致。

Figure 5: 电阻率、分散性和应用测试

内容描述: Figure 5展示了AC-FJH过程的电阻率变化、FG分散性比较和应用测试。（a）HDPE的电阻率在AC-FJH过程中随时间下降。（b）AC-FG和ACDC-tFG在1% Pluronic溶液中的分散浓度，AC-FG可达1.2 mg/mL。（c）ACDC-tFG与商业石墨烯的拉曼光谱比较，显示更尖锐的2D带和更低D带。（d）水泥/FG复合材料的抗压强度，添加0.035 wt% FG使强度提高30%。

分析结果: FG具有高分散性，易于处理成复合材料。涡轮层状结构削弱了层间范德华力，便于分散。在水泥中添加少量FG即可显著增强力学性能，证明其应用潜力。

Figure 6: FTIR分析塑料和蜡状副产物

内容描述: Figure 6展示了原始塑料和AC-FJH过程中产生的蜡状副产物的FTIR光谱。（a）塑料的FTIR光谱。（b）蜡状物的FTIR光谱，显示与原始塑料相似的指纹谱，但氧化程度低。

分析结果: 蜡状副产物是低聚物，可进一步用于石油烃流或洗涤剂添加剂。气体产物分析显示生成氢气和轻烃，氢气比例高，可能用于燃料电池发电。