Conversion of CO₂-Derived Amorphous Carbon into Flash Graphene Additives

CO₂衍生无定形碳转化为闪蒸石墨烯添加剂

论文亮点

研究背景

• 化石燃料燃烧和塑料生产/处理导致CO₂排放显著增加，成为重大环境问题
• 传统石墨烯和碳纳米管制备方法成本高昂(6-20万美元/吨)，需要开发更经济的替代方案
• 塑料污染日益严重，预计到2050年塑料生产将占石油消费的20%并产生11.25亿吨CO₂

研究方法

• 通过熔融碳酸盐电解法将CO₂转化为无定形碳(AmoC)，每生产1kg AmoC消耗3.76kg CO₂和40kWh能源
• 采用闪蒸焦耳加热(FJH)技术将AmoC单独或与废聚乙烯(PE)混合转化为闪蒸石墨烯(FG)
• 对于导电性较差的材料(如PE)，先进行交流FJH碳化处理，再进行直流FJH转化
• 将制备的FG添加到乙烯基酯(VE)和双酚A二缩水甘油醚(DGEBA)树脂中制备复合材料
• 通过拉曼光谱、TEM、SEM对材料进行表征，通过纳米压痕和压缩测试评估机械性能
• 进行生命周期评估，比较不同复合材料的环境影响

主要结论

• 成功将CO₂衍生的AmoC转化为高质量FG，纯度最高可达99%
• 添加5wt% FG可使VE复合材料的杨氏模量和硬度最大提高49%和69%，使DGEBA复合材料的相应性能最大提高73%和73%
• 添加5wt% 25:75 AmoC:PE FG可使环氧树脂的CO₂排放、水消耗和能源消耗分别降低7.7%、5%和2.7%

结果分析 - 实验示意图

图1. 展示了AmoC和AmoC:PE混合物通过闪蒸焦耳加热(FJH)转化为FG，并作为增强添加剂应用于VE和DGEBA复合材料的示意图。AmoC、PE和VE树脂的图片比例尺为2.5cm。

结果分析 - 拉曼光谱表征

图2. 平均拉曼光谱曲线：(a) AmoC以及(b) AmoC FG、(c) 50:50 AmoC:PE FG和(d) 25:75 AmoC:PE FG的所有FJH条件。不同颜色和数字表示优化过程中应用于每种材料的不同电压。(e) 每种原料获得最佳质量FG的参数产量数据。阴影区域显示标准偏差(N = 100)。

分析结果: 拉曼光谱显示AmoC具有高I_D/I_G比和低I_2D/I_G比，表明其为无定形结构。经过FJH处理后，材料转化为FG，I_D/I_G比降低，I_2D/I_G比增加，表明石墨烯质量提高。50:50 AmoC:PE FG的纯度最高达到99%。

结果分析 - TEM形态表征

图3. TEM图像：(a-c) AmoC、(d-f) AmoC FG、(g-i) 50:50 AmoC:PE FG和(j-l) 25:75 AmoC:PE FG。

分析结果: TEM图像显示AmoC原料为无定形结构，几乎没有有序性。经过FJH处理后，AmoC转化为横向尺寸大于500nm的大片FG。50:50 AmoC:PE混合物FJH后既存在大片FG，也存在通常从废塑料衍生的FG中观察到的小片(约30-80nm)。随着PE比例增加，材料中小片的浓度增加。

结果分析 - SEM形态表征

图4. SEM图像：(a-c) AmoC、(d-f) AmoC FG、(g-i) 50:50 AmoC:PE FG和(j-l) 25:75 AmoC:PE FG。

分析结果: SEM图像证实AmoC原料的无定形特性，表现为缺乏有序性。AmoC转化后观察到大的AmoC FG颗粒。50:50和25:75 AmoC:PE混合物转化后同时存在大小颗粒，分别来源于AmoC和PE原料。

结果分析 - 机械性能测试

图5. 含FG添加剂的VE和DGEBA复合材料的机械测试。(a) 纯VE和不同原料制备的5wt% FG的机械性能比较。(b) 纯VE和不同wt%加载量的50:50 AC:PE FG的机械性能。(c-e) 纯DGEBA和不同wt%加载量的AC FG、50:50 AC:PE FG和25:75 AC:PE FG的机械性能。

分析结果: 添加5wt%的任何类型FG都能提高VE的杨氏模量和硬度。AmoC FG使杨氏模量最大增加49%，50:50 AmoC:PE FG使硬度最大增加69%。在DGEBA中，AmoC FG在5wt%和3wt%加载量下分别使杨氏模量和硬度提高35%和73%。由AmoC和PE混合物制备的FG显示出更好的机械性能改善，可能是由于添加剂中存在不同尺寸的颗粒。

结果分析 - 生命周期评估

图6. 生命周期评估比较：(a) CO₂排放、(b) 水消耗和(c) 纯VE或DGEBA与含5wt%不同类型FG的复合材料的能源消耗。

分析结果: 添加5wt% 25:75 AmoC:PE FG到VE中可使CO₂排放、水消耗和能源消耗分别降低7.7%、5%和2.7%。这表明使用由AmoC和AmoC:PE制备的FG不仅可以改善VE和DGEBA的机械性能，还能减少使用这些材料的环境影响。