Graphene Derived from Municipal Solid Waste

从城市固体废物中提取的石墨烯

第一作者: Karla J. Silva (Rice University)

通讯作者: James M. Tour (Rice University, E-mail: tour@rice.edu)

DOI: 10.26434/chemrxiv-2024-02bj5

PDF原文

期刊名称: ChemRxiv

发表年份: 2024

论文亮点

研究背景

研究方法

使用闪蒸焦耳加热（FJH）将处理后的城市固体废物（MSWT）和废木材（WWT）转化为石墨烯。具体步骤：

主要结论

图1: 常见MSW管理方法与FJH比较示意图

Figure 1

内容: 该示意图比较了常见的城市固体废物管理方法（如填埋、回收、焚烧）与闪蒸焦耳加热（FJH）方法。

分析结果: FJH作为一种新兴方法，展示了在减少环境影响和资源回收方面的潜在优势，避免了填埋的渗滤液和甲烷问题，以及焚烧的CO2排放。

图2: FJH示意图及电流温度曲线

Figure 2

内容: 显示FJH过程的示意图，以及在不同电压放电（100V、160V、235V）下的电流和温度测量曲线。

分析结果: 电流随电压增加而增大，温度高达2750°C，表明FJH能快速产生高温，促进碳键解离和石墨烯形成。温度快速下降是由于系统振动导致高温计暂时 misalignment。

图3: 起始材料和石墨烯产品的表征

Figure 3

内容: 包括平均拉曼光谱、高分辨率拉曼光谱、XRD谱、XPS survey scans、C1s高分辨率扫描和TGA分析。

分析结果: 拉曼光谱显示D/G强度比为0.46，2D/G为0.97，表明高质量石墨烯；XRD显示晶格间距0.340nm，确认turbostratic结构；XPS显示碳含量增加，杂质减少；TGA显示石墨烯热稳定性提高。

图4: MSWT/WWT石墨烯的电子显微镜图像

Figure 4

内容: SEM图像显示石墨烯的片层形态在不同放大倍数下，TEM微显示晶格条纹。

分析结果: SEM证实石墨烯具有堆叠片层结构，与起始材料的致密结构形成对比；TEM显示高结晶度，晶格条纹和0.349nm层间距，进一步支持turbostratic stacking。

图5: BET分析和分散性测试

Figure 5

内容: BET表面积分析 of feedstocks and graphene, and dispersion in pluronic F-127 solution compared to MC-FG.

分析结果: MSWT/WWT石墨烯的表面积为5.6 m²/g，低于WWT但 comparable to MSWT；分散性测试显示在低浓度下与MC-FG相似，但高负载时较差，可能 due to 低表面积。

图6: 生命周期评估和技术经济分析

Figure 6

内容: 比较常见MSW管理方法（如填埋带气体捕获和焚烧）与FJH的全球变暖潜力（GWP）和技术经济影响。

分析结果: FJH可降低GWP 81-89% compared to landfilling and incineration; technoeconomic analysis shows net cost of -$304/tonne for FJH, making it economically favorable with graphene byproduct utilization.