Graphene Derived from Municipal Solid Waste

从城市固体废物中提取的石墨烯

第一作者: Karla J. Silva (Rice University)

通讯作者: James M. Tour (Rice University)

DOI: 待补充 | 期刊名称: 待补充 | 发表年份: 2024

论文亮点

            使用闪速焦耳加热技术将城市固体废物转化为高质量石墨烯，实现废物资源化利用
与传统处理方式相比，该方法可降低71%-83%的全球变暖潜能值，且具有经济可行性

研究背景

城市固体废物(MSW)产量随人口增长和城市化进程不断增加，传统填埋处理方式导致土地占用、有毒渗滤液和温室气体排放等问题
回收和焚烧等替代方法存在局限性：回收成本高且仅适用于部分废物，焚烧会产生二氧化碳和其他有毒污染物
迫切需要开发既减少填埋量又提供替代管理方法的可持续MSW处理技术

图1. 常见MSW管理方法与FJH方法的比较示意图

研究方法

原料准备

使用商业预处理的MSW(MSWT, 67%)和废木材(WWT, 33%)混合物
MSWT经过316°C热处理降低水分和毒性，WWT作为导电添加剂降低电阻

闪速焦耳加热过程

首先进行交流电FJH处理，使电阻降至4-5Ω
随后进行三次直流电FJH处理(100V, 160V, 235V放电)
总处理时间为7秒，最终电阻降至0.10Ω
最高温度达到约2750°C，足以将无定形碳转化为湍层石墨烯

表征技术

拉曼光谱：分析石墨烯结构和质量
X射线衍射(XRD)：研究材料体相特性
X射线光电子能谱(XPS)：分析元素组成
热重分析(TGA)：评估热稳定性
扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)：观察形貌变化
BET表面积分析：测量比表面积
气相色谱：分析FJH过程中产生的挥发性气体

图2. FJH示意图以及MSWT/WWT混合物在不同电压放电过程中的电流和温度曲线

主要结论

成功通过FJH将MSWT和WWT转化为高质量湍层石墨烯，碳含量从原料的62.2-83.4%提高到87.7%
与填埋和焚烧相比，FJH处理MSW可降低71%-83%的全球变暖潜能值(GWP100)
该方法经济可行，每处理1000公斤MSW净收益282美元(假设石墨烯以市场价的5%出售)

石墨烯产物表征结果

图3. 原料和石墨烯产物的表征结果。(a)MSWT、WWT和MSWT/WWT石墨烯的平均拉曼光谱;(b)高分辨率拉曼光谱显示湍层堆叠特征峰;(c)原料和石墨烯的XRD谱图;(d)XPS全谱扫描;(e)石墨烯C1s高分辨率扫描;(f)TGA分析显示石墨烯热稳定性提高

拉曼光谱显示MSWT/WWT石墨烯具有低D/G强度比(0.46)和高2D/G强度比(0.97)，表明产生了高质量石墨烯。高分辨率拉曼光谱中TS1和TS2峰的出现证实了湍层结构，而M峰的缺失表明没有可检测的AB堆叠。

XRD分析显示石墨烯产物的(002)峰位于26.1°，对应平均层间距为0.340nm，大于AB堆叠石墨的0.335nm，这是湍层石墨烯的特征。

XPS分析表明FJH过程中杂质被有效去除，硅含量从MSWT中的8.3%降至石墨烯中的0.41%。元素分析显示碳含量从原料的62.2-83.4%提高到87.7%。

TGA分析显示石墨烯的热稳定性显著提高，降解温度从原料的330-550°C提高到525-700°C。

电子显微镜分析

图4. MSWT/WWT石墨烯的电子显微镜图像。(a)不同放大倍数的SEM图像显示片层形态;(b,c)TEM显微照片显示晶格条纹

SEM图像显示FJH处理后形成了明显的片层状石墨烯结构，与原料的致密结构形成鲜明对比。HR-TEM图像显示清晰的晶格条纹，表明石墨烯具有高结晶度。快速傅里叶变换显示多晶石墨材料，观察到的层间距为0.349nm，再次证实了湍层石墨烯的增大层间距特性。

表面积分析和分散性测试

图5. MSWT/WWT石墨烯和MC-FG的BET分析及在1% pluronic F-127溶液中的分散性。(a)原料和石墨烯的BET分析;(b)MSWT/WWT石墨烯和MC-FG在pluronic F-127中的分散性

BET分析显示WWT具有较高的表面积(117m²/g)，MSWT表面积较低(1.8m²/g)，而FJH处理后得到的MSWT/WWT石墨烯表面积为5.6m²/g。孔尺寸显著减小，与MSWT相当。

分散性测试表明，在低浓度下，MSWT/WWT石墨烯与冶金焦闪蒸石墨烯(MC-FG)具有相似的分散性，但在高负载量下，MC-FG的分散性更好。MSWT/WWT石墨烯分散性较低可能归因于其较小的表面积。

生命周期评估和技术经济分析

图6. 常见MSW管理与FJH的生命周期评估比较。(a)常见MSW管理方法(如带气体捕获和燃烧系统的填埋(LF+GCF)和焚烧(INC))与FJH相关的GWP;(b)与LF+GCF和INC相比，FJH的技术经济分析影响(以美元计)

生命周期评估(LCA)显示，与带气体捕获和燃烧系统的填埋(LF+GC)相比，FJH可降低83%的GWP100，与焚烧相比可降低71%的GWP100，表明FJH是一种更环保的MSW处理方法。

技术经济分析表明，假设石墨烯副产品仅以当前市场价值的5%(3000美元/吨)出售，处理一吨MSW的FJH净成本为-282美元。相比之下，焚烧的净成本为48美元/吨(假设产生的电力被出售且有毒灰烬副产品被处理)。FJH不仅降低了GWP100，而且经济上更有利，并减少了 destined for landfills的材料。