Continuous and low-carbon production of biomass flash graphene

生物质闪蒸石墨烯的连续低碳生产

Xiangdong Zhu^1,2,10, Litao Lin^1,3,10, Mingyue Pang^4,10 等

朱向东^1,2,10, 林利涛^1,3,10, 庞明月^4,10 等

DOI: 10.1038/s41467-024-47603-y | Nature Communications | 2024

论文亮点

            开发了集成自动化系统，实现了生物质闪蒸石墨烯的连续生产
提出热解-FJH联用策略，显著降低了生产过程碳排放（降低86.1%）

研究背景

闪焦耳加热(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，大量能量用于热解挥发分释放和炭黑使用，导致高碳排放
需要开发连续生产工艺并解决碳减排问题，以推动生物质FG从实验室走向工业化应用

研究方法

设计集成自动化设备：通过可编程逻辑控制器协调机械控制、FJH反应和电气控制模块
采用机器人手臂实现自动装卸料，解决连续生产问题
提出热解-FJH联用策略：先通过热解释放生物质热解挥发分，再进行FJH反应优化FG结构
利用中等温度生物炭(750°C)自身适当电阻启动FJH反应，无需添加炭黑
通过拉曼光谱、XPS、AFM、TEM等多种手段表征FG结构
进行全生命周期评估(LCA)分析不同生产路径的碳排放

主要结论

成功实现生物质FG的连续生产，生产率达21.6 g/h，比第一代技术提高4倍
热解-FJH联用路径显著降低碳排放至1.9 g CO₂-eq/g石墨烯，比传统路径降低86.1%
中等温度生物炭(750°C)基FG生产无需炭黑添加，具有最佳经济性和环境效益

集成自动化设备设计与性能

图1: (a)中试规模闪蒸石墨烯制备装置；(b)4批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

研究团队开发了集成自动化设备，通过可编程逻辑控制器协调各个模块，实现了生物质FG的连续生产。该设备采用机器人手臂进行自动装卸料，解决了传统手动操作效率低的问题。设备生产率达到21.6 g/h，比第一代技术提高了4倍，且表现出高度的稳定性。

生物质/生物炭基闪蒸石墨烯的制备路径与过程

图2: (a)通过火灾动力学模拟器模拟的交流闪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)直流闪焦耳加热系统的等效电路图

研究提出了五种不同的FG生产路径，从直接使用生物质(路径A)到使用不同温度热解生物炭(路径B-E)。研究发现，中等温度生物炭(750°C)具有适当的电阻，无需添加炭黑即可启动FJH反应。通过调节样品与设备电阻比，可以控制分配给样品的电压，从而优化FG的层状结构。

闪蒸石墨烯的碳排放评估

图3: (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联用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

生命周期评估显示，热解挥发分释放和炭黑使用是FG生产碳排放的主要来源。热解-FJH联用策略通过合理的能量分配，将能量重点放在FG结构优化上，而不是热解挥发分释放上，从而显著降低了碳排放。生物炭参与的FG生产路径(特别是750°C生物炭路径)比生物质直接路径降低了80.1-86.1%的碳排放。

连续生产闪蒸石墨烯的性能与应用

图4: (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

通过优化放电电压和样品负载量，在中试规模上实现了高质量Few-layer石墨烯的连续生产。木屑FG的碳含量高达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%)。竹基FG同样表现出优异性能，且碳排放低(1.90 g CO₂-eq/g石墨烯)。即使对于高杂质生物质(如稻草)，也能生产FG，但其纯度和产率较低。该技术为百万吨级高纯度石墨烯生产提供了可行路径。