Recent trends in transforming different waste materials into graphene via Flash Joule Heating

通过闪蒸焦耳加热将不同废物转化为石墨烯的最新趋势

第一作者: Mohamed Hosny (亚历山大大学)

通讯作者: Mohamed Hosny, Ahmed M. Abdelfatah (亚历山大大学)

DOI: 10.1016/j.envres.2025.121033

PDF原文

期刊名称: Environmental Research

发表年份: 2025

论文亮点

  1. 闪蒸焦耳加热(FJH)技术提供了一种环保、可持续的方法，将各种废物材料转化为高质量石墨烯，有效解决环境污染问题。
  2. 与传统石墨烯生产方法相比，FJH具有快速、能耗低、成本效益高的优势，每吨石墨烯生产成本仅需130-135美元。

研究背景

  1. 石墨烯作为一种二维碳材料，具有卓越的电导性、机械强度和热稳定性，在电子、能源和材料科学等领域有广泛应用前景。
  2. 传统石墨烯生产方法(如化学气相沉积和机械剥离)成本高、能耗大且使用有害化学品，限制了其大规模应用。
  3. 全球废物问题日益严重，特别是塑料、电子废物和橡胶废物等，需要开发创新的升级回收技术实现循环经济。

研究方法

本研究采用闪蒸焦耳加热(FJH)技术将各种碳基废物材料转化为石墨烯。具体方法如下：

FJH过程示意图

图2: FJH过程示意图和温度变化关系

主要结论

  1. FJH技术能够高效地将多种废物材料(塑料、电子废物、橡胶、生物质等)转化为高质量涡轮层石墨烯，生产成本远低于传统方法。
  2. 闪蒸石墨烯(FG)在多个应用领域表现出优异性能，包括水处理、超级电容器、导电墨水、水泥生产和润滑剂添加剂等。
  3. 尽管FJH技术面临能源需求和设备挑战，但通过自动化改进和使用可再生能源，有望实现大规模可持续生产。

Fig. 1: FG文章发表数量和研究机构

Fig. 1

图1: 过去四年FG相关文章发表数量(a)及主要研究者和机构(b,c)

分析结果

数据显示，自2020年首篇FG文章发表以来，相关研究稳步增长。Rice大学的Tour组是主要贡献者，发表了24篇相关论文，占总数的一半以上，表明该研究组在FJH技术发展中起主导作用。其他研究机构贡献了22篇论文，显示该领域正在吸引更广泛的研究兴趣。

Fig. 2: FJH过程示意图和石墨烯结构

Fig. 2

图2: FJH石英管装置(a)、AB堆叠(b)和涡轮层石墨烯(c)结构

分析结果

FJH过程在石英管中进行，温度在极短时间内(毫秒级)升至3000K以上。涡轮层石墨烯结构与传统的AB堆叠石墨烯不同，层间错位排列减少了静电相互作用，使其更易于剥离和处理。这种结构特性使FG更适合各种应用，如复合材料和能源存储设备。

Fig. 3: 中试规模FG制备设备

Fig. 3

图3: 中试规模FG制备设备

分析结果

该自动化系统使用机器人手臂进行样品加载和卸载，取代了人工操作，提高了生产效率和一致性。通过锁定样品盘坐标的算法增强机械控制，采用交流接触器在AC-FJH期间切断直流放电电路，避免电容器故障。该系统每小时可生产21.6克FG，展示了FJH技术工业化应用的潜力。

Fig. 4: FJH系统组件

Fig. 4

图4: FJH系统八个组件示意图

分析结果

FJH系统由八个主要组件构成：样品杂志、闪蒸室、3D打印机、斜坡、样品收集盆、控制系统、电容器组连接部和冷却系统。这种自动化设计实现了连续生产，在90分钟内从煤基冶金焦生产了1.1公斤FG。使用PWM技术将峰值电流控制在1000A以下，减少了设备故障概率，提高了能效和产率。

Fig. 5: 连续FJH反应器设计和千克级生产

Fig. 5

图5: 连续FJH反应器设计(a)和千克级生产设置(b,c)

分析结果

研究团队开发了连续FJH反应器概念设计，用于将锂离子电池的阴极和阳极废料转化为FG。通过FJH、酸浸和过滤步骤，可回收高达98%的金属组件，减少能源消耗26%、用水量52%、酸用量59%和CO2排放38%。千克级生产使用弧焊机替代昂贵电源，成本仅为180美元，生产速率达每小时3公斤FG，展示了FJH技术的经济可行性。

Fig. 6: 不同碳富集原料转化为FG

Fig. 6

图6: 电子废物、生物质废物、橡胶废物等原料转化为涡轮层FG

分析结果

FJH技术能够处理多种碳富集原料，包括电子废物、生物质废物、橡胶废物、煤炭、石油焦、沥青、塑料甚至CO2。这种多样性使FJH成为可持续废物管理和资源回收的有前景解决方案。不同原料的碳含量和杂质会影响FG的产率和质量，但通过优化工艺参数，均可获得高质量石墨烯产品。

Fig. 7: 碳黑基FG表征

Fig. 7

图7: 碳黑基FG的拉曼光谱(a)、XRD图谱(b)和HRTEM图像(c)

分析结果

碳黑基FG表现出优异的性能，拉曼光谱显示I2D/IG比值高达17，是迄今报道的最高值，表明高质量石墨烯的形成。XRD图谱显示明显的(002)峰，对应层间距3.45Å，略大于传统AB堆叠石墨烯(3.37Å)，证实了扩展的涡轮层石墨烯结构。HRTEM图像显示了折叠的石墨烯层，进一步验证了FG的形态特征。

Fig. 8: FJH过程细节和产物

Fig. 8

图8: FJH石英管(a)、碳黑转化示意图(b)、电流电压曲线(c)和产物照片(d)

分析结果

FJH过程在100ms内完成，温度达到约3000K。碳黑转化为FG层和小石墨碳颗粒。驱动FJH过程的高电流在20ms内可超过400安培。产物中包含灰色FG层和黑色石墨点，需要进一步区分。这种快速转化过程展示了FJH技术的高效性，能够在极短时间内完成传统方法需要数小时甚至数天的石墨化过程。

Fig. 9: FG片和褶皱石墨烯表征

Fig. 9

图9: FG片(a,b)和褶皱石墨烯(c,d)的TEM图像，以及XRD图谱(e)和拉曼光谱(f)