Conversion of CO₂-Derived Amorphous Carbon into Flash Graphene Additives

将二氧化碳衍生的无定形碳转化为闪蒸石墨烯添加剂

第一作者: Paul Andrade Advincula

通讯作者: James M. Tour*

所属大学: 莱斯大学 (Rice University)

DOI: 10.1002/mame.202300266

PDF原文

期刊名称: Macromolecular Materials and Engineering

发表年份: 2023

论文亮点

                通过闪蒸焦耳加热（FJH）将二氧化碳衍生的无定形碳（AmoC）转化为闪蒸石墨烯（FG），用作复合材料的增强添加剂，显著提高机械性能。
生命周期评估显示，添加FG可以减少二氧化碳排放、水消耗和能源消耗，实现碳负过程。

研究背景

二氧化碳（CO₂）排放是主要的环境问题，源自化石燃料燃烧和塑料生产与处理过程。
塑料污染加剧了温室气体排放，威胁人类和海洋生命，需要开发CO₂捕获和利用技术。
闪蒸焦耳加热（FJH）是一种快速、低成本的方法，可将含碳原料转化为闪蒸石墨烯（FG），具有优异的机械、热和电性能。

研究方法

本研究采用以下详细方法：

材料准备：使用从CO₂通过熔融碳酸盐电解衍生的无定形碳（AmoC），以及废聚乙烯（PE）。AmoC生产消耗3.76 kg CO₂和40 kWh能量 per kg。
闪蒸焦耳加热（FJH）：将AmoC或AmoC:PE混合物压缩在铜电极之间，施加直流电（150-200 V，500 ms）快速加热至>3000 K，转化为FG。对于非导电材料如PE，先进行交流电FJH碳化。
复合材料制备：将FG与乙烯基酯（VE）或双酚A二缩水甘油醚（DGEBA）树脂混合，使用高剪切混合分散，添加固化剂（如MEKP），固化过夜。
表征技术：
- 拉曼光谱：分析FG的纯度和缺陷（I_D/I_G和I_2D/I_G比率）。
- 透射电子显微镜（TEM）和扫描电子显微镜（SEM）：观察 morphology。
- 力学测试：使用纳米压痕测量Young's模量和硬度。
- 生命周期评估：比较环境 impact。

主要结论

AmoC成功转化为FG，纯度高达91%，且与废PE混合后FG纯度可达99%。
添加5 wt% FG到VE和DGEBA树脂中，Young's模量和硬度最大提高73%，显著增强复合材料机械性能。
生命周期评估显示，添加5 wt% 25:75 AmoC:PE FG可减少7.7% CO₂排放、5%水消耗和2.7%能源消耗，实现碳负强化添加剂。

Figure 1: FJH过程示意图和复合材料应用

图1: 描绘AmoC和AmoC:PE混合物通过FJH转化为FG，并用作VE和DGEBA复合材料的增强添加剂的示意图。AmoC、PE和VE树脂的图像比例尺为2.5 cm。

分析结果：该图展示了整个实验流程，从原料处理到FJH转化，最终应用于复合材料。这表明AmoC和废PE可以通过FJH有效转化为FG，用于增强聚合物矩阵，验证了方法的可行性。

Figure 2: 拉曼光谱分析

图2: a) AmoC的平均拉曼光谱曲线；b) AmoC FG的条件；c) 50:50 AmoC:PE FG；d) 25:75 AmoC:PE FG。不同颜色和数字表示不同电压条件。e) 各原料最佳质量FG的产率数据。

分析结果：拉曼光谱显示AmoC具有高I_D/I_G比率，表明其无定形性质。FJH后，I_D/I_G降低，I_2D/I_G增加，证实成功转化为FG。50:50 AmoC:PE FG的纯度最高（99%），但产率较低 due to plastic volatile loss。这表明AmoC可作为导电添加剂，促进废PE的转化。

Figure 3: TEM图像分析

图3: a-c) AmoC的TEM图像；d-f) AmoC FG；g-i) 50:50 AmoC:PE FG；j-l) 25:75 AmoC:PE FG。

分析结果：TEM图像显示AmoC feedstock 无定形且无序。FJH后，AmoC转化为大尺寸FG薄片（>500 nm）。当与PE混合时，出现大小薄片混合，小薄片（30-80 nm）源自PE。随着PE比例增加，小薄片浓度增加，表明PE衍生的FG特性不同，这可能影响复合材料中的分散和性能。

Figure 4: SEM图像分析

图4: a-c) AmoC的SEM图像；d-f) AmoC FG；g-i) 50:50 AmoC:PE FG；j-l) 25:75 AmoC:PE FG。

分析结果：SEM图像进一步证实AmoC的无定形结构。FJH后，观察到AmoC FG的大颗粒。AmoC:PE混合物转化后，出现大小颗粒混合，大颗粒来自AmoC，小颗粒来自PE。这种形态变化可能影响复合材料中的界面相互作用和机械性能。

Figure 5: 力学性能测试

图5: VE和DGEBA复合材料与FG添加剂的力学测试。AmoC简写为AC。a) 纯VE与5 wt%不同原料FG的机械性能比较；b) 纯VE与不同wt% 50:50 AC:PE FG的机械性能；c-e) 纯DGEBA与不同wt% AC FG、50:50 AC:PE FG和25:75 AC:PE FG的机械性能。

分析结果：添加5 wt% FG显著提高VE和DGEBA的Young's模量和硬度。AmoC FG在VE中最大提高模量49%，50:50 AmoC:PE FG提高硬度69%。在DGEBA中，25:75 AmoC:PE FG在1 wt%加载下提高模量73%和硬度65%。然而，过高加载可能导致性能下降 due to 弱界面相互作用。复合材料在测试后不导电，表明 dispersion 不足。

Figure 6: 生命周期评估

图6: a) CO₂排放；b) 水消耗；c) 能源消耗的生命周期评估比较，纯VE或DGEBA与添加5 wt%不同类FG的复合材料。AmoC简写为AC。

分析结果：生命周期评估显示，添加5 wt% 25:75 AmoC:PE FG可减少CO₂排放7.7%、水消耗5%和能源消耗2.7%。AmoC FG添加导致能源消耗轻微增加（0.3%）， due to 熔融碳酸盐电解的能量成本。总体而言，使用FG添加剂在改善机械性能的同时，降低了环境 impact，验证了其可持续性。

Conversion of CO2-Derived Amorphous Carbon into Flash Graphene Additives