Flash upcycling of waste glass fiber-reinforced plastics to phase-controllable silicon carbide

废玻璃纤维增强塑料的闪速升级回收为相控碳化硅

论文亮点

研究背景

• 纤维增强塑料（FRP）尤其是玻璃纤维增强塑料（GFRP）的使用量快速增长，预计到2030年全球年需求将超过600万吨，但其寿命仅为10-40年，导致大量废弃物产生。
• 当前处理废弃GFRP的主要方法是填埋和焚烧，这些方法导致资源浪费和环境污染，且传统回收过程能耗高、产生二次污染。
• 碳化硅（SiC）是一种高性能材料，具有高机械强度、高温稳定性等优点，但传统合成方法如化学气相沉积（CVD）和Acheson碳热还原（ACR）过程能耗高、时间长。

研究方法

详细研究方法：

• 材料准备：将废GFRP和CFRP研磨成微米级粉末。GFRP粉末包含63 wt%无定形SiO₂和37 wt%聚合物涂层；CFRP粉末主要包含低结晶度碳，用作导电添加剂。
• FCR过程：将GFRP和CFRP混合物（质量比2:1）压缩在石英管中，两侧有石墨电极连接外部电容器组。施加高压脉冲（如150V），电流通过样品，使温度在毫秒内升至1600-2900°C，实现SiO₂的碳热还原生成SiC。
• 相控制：通过调节输入电压（80-150V）和闪速次数，控制合成3C-SiC或6H-SiC。
• 表征：使用XRD、Raman、XPS、SEM、TEM等手段分析产物结构和性质。
• 电化学测试：将SiC作为锂离子电池阳极材料，测试其性能。
• 生命周期评估（LCA）：比较FCR过程与其他回收方法的能耗、温室气体排放和水消耗。

主要结论

图1: 通过闪速碳热还原升级回收FRP到碳化硅

图1: 通过闪速碳热还原升级回收FRP到碳化硅

内容: 图1a展示了FCR过程的示意图，包括废物GFRP和CFRP的研磨（步骤1）和在石英管中的闪速反应（步骤2）。图1b和1c显示了在150V输入电压下的电流和温度曲线，温度可达2900°C。图1d展示了不同碳/SiO₂比率下Gibbs自由能变化与温度的关系。

分析结果: FCR过程通过高温快速反应实现SiO₂的碳热还原，生成SiC和石墨烯。通过优化碳比率和电压，可以控制反应温度，确保完全转化。

图2: 相控合成SiC

图2: 相控合成SiC

内容: 图2a展示了3C-SiC和6H-SiC的晶体结构。图2b显示了Si 2p XPS光谱，表明Si-C键的形成。图2c是纯化后SiC的XRD图谱，显示高相纯度。图2d是Raman光谱，显示特征峰。图2e是UV-Vis光谱，显示带隙差异。图2f-k是HRTEM和SAED图像，显示原子排列和晶格条纹。

分析结果: 通过调节闪速参数，可以选择性合成不同相的SiC，且产物具有高纯度和均匀的元素分布。3C-SiC具有较小的带隙（2.45 eV），而6H-SiC带隙较大（2.86 eV）。

图3: SiC相变机制

图3: SiC相变机制

内容: 图3a和3b显示了输入电压和闪速次数对SiC相比例的影响。图3c是EPR光谱，显示Si空位的存在。图3d是硅和碳的温度-蒸气压关系。图3e和3f是DFT计算，显示Si空位含量对形成能的影响。

分析结果: 较高的反应温度和较长的反应时间促进从3C-SiC到6H-SiC的相变。Si空位的增加是相变的主导因素，DFT计算证实了这一点。

图4: SiC阳极的相依赖LIB性能

图4: SiC阳极的相依赖LIB性能

内容: 图4a和4b显示了3C-SiC和6H-SiC阳极在不同循环下的充放电曲线。图4c是循环稳定性，图4d是倍率性能。图4e和4f是CV曲线，图4g是EIS图谱，图4h是Li⁺扩散系数，图4i是全电池性能。

分析结果: 3C-SiC阳极具有更高的容量、更好的倍率性能和较低的电荷转移电阻，归因于其较高的Li⁺扩散系数。全电池测试显示良好的循环稳定性。

图5: FRP回收的生命周期评估

图5: FRP回收的生命周期评估

内容: 图5a展示了溶剂分解、焚烧和FCR过程的材料流分析。图5b是综合比较，图5c是累积能源需求，图5d是累积温室气体排放，图5e是技术经济比较。

分析结果: FCR过程在能源消耗、温室气体排放和水消耗方面均显著低于其他方法，且成本极低，显示出其经济和环境优势。