Graphene environmental footprint greatly reduced when derived from biomass waste via flash Joule heating

生物质废弃物闪蒸焦耳热法制备石墨烯的环境足迹大幅降低

期刊: One Earth

发表年份: 2022年

论文亮点

研究背景

• 石墨烯具有优异的导热性、导电性和机械强度，被誉为"奇迹材料"，在能源存储、医疗保健等领域有广泛应用前景
• 传统石墨烯生产方法依赖石墨矿物，需要大量化学溶剂和能源，环境足迹显著
• 全球石墨储量有限，按年增长5.6%的开采速度，几十年内可能枯竭

图1. 2021年至2068年全球石墨储量估计。目前天然石墨储量估计为2.6亿吨。

研究方法

本研究采用实验室规模的实验和生命周期评估(LCA)方法：

1. 样品制备：收集四种生物质废弃物（锯末、小麦秸秆、玉米秸秆和水稻秸秆），粉碎成粉末（80目）并干燥至恒重
2. AC-FJH过程：将生物质与5wt%的炭黑混合，装入石英管中，在真空条件下施加交流电(200V, 50Hz)约6秒，释放挥发性物质并制备初步FG
3. DC-FJH过程：将初步FG进行直流闪蒸焦耳加热，在优化电压(150V)和时间(30ms)下获得高质量FG
4. 材料表征：使用拉曼光谱、原子力显微镜(AFM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射(XRD)等多种技术分析FG的质量和特性
5. 生命周期评估：基于实验测量的材料使用、能源消耗和空气排放数据，使用ReCiPe 2008方法评估环境影响
6. 性能测试：测试FG的热导率、电导率及其在锂离子电池中的电化学性能

主要结论

生物质衍生闪蒸石墨烯的特性与电化学性能

图2. 各种生物质衍生闪蒸石墨烯(FG)的特性和电化学性能

分析结果：

• (A) AC-FJH过程制备的各种生物质初步FG的拉曼光谱显示高强度D峰，表明存在大量无定形或无序碳
• (B) DC-FJH过程后，最终FG的拉曼光谱显示低强度D峰，表明缺陷显著减少，质量提高
• (C-E) 原子力显微镜和透射电子显微镜结果显示FG主要由少层石墨烯结构组成
• (F-G) 电化学测试表明FG作为锂离子电池电极材料表现出良好的充放电性能和循环稳定性

生物质衍生FG的制备路线与过程

图3. 生物质衍生FG的制备路线和过程

分析结果：

• (A) 生物质基FG系统的LCA系统边界，包括生物质 cultivation、AC-FJH和DC-FJH过程三个阶段
• (B) AC-FJH过程中从四种生物质获得的各组分的产率，生物气和生物油可以作为化石燃料替代品收集和利用
• (C) 从生物质合成单位质量净FG的合成气和温室气体产率，AC-FJH过程是温室气体排放的主要来源

生物质基FG系统与常规石墨烯系统的气候变化影响

图4. 使用可再生能源前后生物质基FG系统与常规石墨烯系统的气候变化影响

分析结果：

• (A) 生物质基FG系统的气候变化影响(2.73-11.5g CO₂e/g FG)远低于传统技术(149-407g CO₂e)
• (B) 贡献分析表明，电力是中国生物质基FG系统气候变化影响的主要驱动因素，占总排放量的77.1%-92.6%
• (C) 当使用可再生能源时，所有四种生物质基FG系统都可以实现碳中和甚至负碳值(-2.53至-5.96g CO₂e/g FG)

其他生命周期环境影响比较

图5. 基于ReCiPe 2008方法的实验室规模生物质基FG系统和常规石墨烯系统的其他生命周期环境影响

分析结果：

• 生物质基FG系统在所有评估的影响类别中都比三种传统技术的影响小得多
• 化石消耗影响仅为传统技术的1.78%-7.65%，陆地酸化影响约为传统技术的1.88%-7.50%
• 由于化石燃料替代的抵消效益，淡水富营养化影响显示为负值
• 金属消耗影响仅为传统技术的0.08%-5.32%，颗粒物形成影响约为传统技术的0.57%-6.89%
• 小麦秸秆基FG系统在大多数环境影响方面表现最佳，主要是因为其在AC-FJH和DC-FJH过程中所需的电量最少

图形摘要

图形摘要：通过闪蒸焦耳加热技术将生物质废弃物转化为高质量石墨烯的过程及其环境效益