生物质闪蒸石墨烯的连续低碳生产

Continuous and low-carbon production of biomass flash graphene

生物质闪蒸石墨烯的连续低碳生产

第一作者: Xiangdong Zhu, Litao Lin, Mingyue Pang | 通讯作者: Xiangdong Zhu, Yujun Wang, Yi Yang, Yong-Guan Zhu

DOI: 10.1038/s41467-024-47603-y

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期刊: Nature Communications | 年份: 2024

论文亮点

开发了一种集成自动化系统，实现了生物质闪蒸石墨烯的连续生产，解决了传统方法无法连续生产的难题。
提出了热解-闪蒸焦耳加热联合策略，显著降低了生产过程碳排放（减少86.1%），为实现低碳石墨烯生产提供了新途径。

研究背景

闪蒸焦耳加热(FJH)技术可将生物质转化为闪蒸石墨烯(FG)，但缺乏集成设备难以实现连续生产
传统AC-FJH过程中，大量热解挥发分释放需要过多能量分配，且需添加炭黑作为导电剂，导致高碳排放
急需开发连续化、低碳化的生物质FG生产技术以满足规模化应用需求

研究方法

本研究开发了一套集成自动化系统，采用热解-FJH联合策略实现生物质FG的连续低碳生产：

设备设计：采用可编程逻辑控制器(PLC)协调机械控制、FJH反应和电气控制模块，实现自动化连续生产
机械系统：使用机械臂替代人工操作，采用基于插补算法的坐标锁定解决抓取误差，设计可移动套管实现反应区开闭
电气系统：使用顺序功能图(SFC)编程语言将生产过程分为可编程功能块，通过交流接触器实现AC/DC循环放电
生产工艺：首先通过热解释放生物质热解挥发分，然后进行FJH反应优化FG结构，中温生物炭(750°C)自身电阻适宜，无需添加炭黑即可启动FJH反应
分析表征：采用拉曼光谱、XRD、XPS、TEM、AFM等多种手段对FG结构进行系统表征
生命周期评估：对五种不同生产路径进行全生命周期碳排放评估

主要结论

集成自动化系统实现了生物质FG的连续生产，每批产量达到21.6 g/h，比第一代技术提高4倍
热解-FJH联合策略显著降低碳排放至1.9 g CO₂-eq/g石墨烯，比传统生物质FG生产减少86.1%
中温生物炭(750°C)基FG生产无需添加炭黑，具有适中的热解温度和良好的经济性，是最佳生产路径

连续闪蒸石墨烯生产设备设计与性能

图1 连续闪蒸石墨烯生产设备的设计与创建。(a) 中试规模闪蒸石墨烯制备设备照片；(b) 4批次64个生物质闪蒸石墨烯的产量测量；(c) 通过示波器记录的直流闪蒸焦耳加热过程中64个生物质闪蒸石墨烯生产的连续电流和电压记录

分析结果：集成自动化设备通过机械臂实现了样品的自动装载和卸载，解决了传统手动操作效率低下的问题。设备生产速率达到每批8分钟完成16个样品，产量为21.6 g/h，远高于前两代生产技术。设备稳定性高，可通过增加电容器进一步提高单批产量。

生物质/生物炭基闪蒸石墨烯的制备路径与过程

图2 生物质/生物炭基闪蒸石墨烯的制备路径与过程。(a) 通过火灾动力学模拟器模拟的交流闪蒸焦耳加热过程中生物质/生物炭参与闪蒸石墨烯生产的烟尘密度；(b) 生物质/生物炭参与闪蒸石墨烯生产过程的生命周期评估系统边界；(c) 路径A-E制备的闪蒸石墨烯的2D和G带强度比(拉曼光谱)；(d) 直流闪蒸焦耳加热系统的等效电路图

分析结果：研究比较了五种不同生产路径，发现中温生物炭(750°C)基FG生产路径最为优化。通过热解预处理先释放热解挥发分，再使用FJH反应专注于FG结构优化，实现了合理的能量分配。中高温生物炭(≥750°C)自身电阻适宜，无需添加炭黑即可启动FJH反应，显著降低了生产成本和碳排放。

闪蒸石墨烯的生命周期评估

图3 各种闪蒸石墨烯的生命周期评估(每克石墨烯生产)。(a) 五种生产系统生产1g闪蒸石墨烯产生的温室气体排放中热解挥发分释放、结构优化和炭黑使用的贡献分析；(b) 从生物质(路径A)和生物炭(路径B-E)到闪蒸石墨烯的五种不同生物质闪蒸石墨烯生产路径的物质流；(c) 通过FJH的生物质基闪蒸石墨烯生产路径与通过热解-FJH联合的生物炭基闪蒸石墨烯的能量需求比较；(d) 生物质基闪蒸石墨烯系统与生物炭基闪蒸石墨烯系统的生命周期温室气体排放比较；(e) 生物质基闪蒸石墨烯系统(路径A)和生物炭基FG系统(路径B-E)的生命周期环境影响

分析结果：生命周期评估显示，生物炭参与的FG生产路径(路径B-E)比生物质直接参与路径(路径A)的碳排放降低了80.1-86.1%。热解预处理优先在低能耗条件下去除挥发分，而能量密集的AC-FJH仅用于进一步石墨化，实现了能量梯级利用。中温生物炭(750°C)基FG生产过程因无需炭黑和合适的热解温度，具有略高的经济效益。

闪蒸石墨烯的连续制备与应用性能

图4 闪蒸石墨烯的连续制备。(a) 中试规模生物炭基闪蒸石墨烯的2D和G带强度比(拉曼光谱)；(b) 中试规模生物炭基闪蒸石墨烯的sp²和sp³碳键含量强度比；(c) 上：闪蒸石墨烯在表面活性剂(F-127)溶液中的分散性；下：浓度范围为2-10 mg/L的闪蒸石墨烯分散液；(d) 中试规模生物炭基闪蒸石墨烯系统与工业商品(包括铝、铜、钢和铁、石油化学品和水泥)的生命周期温室气体排放比较；(e) 中试规模生物炭基闪蒸石墨烯系统与传统主要石墨烯生产技术(氧化还原)的经济效益比较；(f) 未来生物质闪蒸石墨烯生产工业园区的蓝图

分析结果：中试规模的连续生产过程制备的FG具有少层结构，碳含量高达97.3%，表现出优异的分散性、催化性能(溴酸盐去除率93.3%)和太阳能吸收性能(约92.4%)。木屑FG生产过程在中试规模的碳排放为1.91 g CO₂-eq/g石墨烯，与实验室规模相当。竹基FG也具有类似的低排放特性(1.90 g CO₂-eq/g石墨烯)。虽然高杂质生物质(如稻草)制备的FG产量较低且杂质含量较高，但不影响其作为光热材料的应用性能。