The Future of Flash Graphene for the Sustainable Management of Solid Waste

闪蒸石墨烯在固体废物可持续管理中的未来

第一作者: Najmul Haque Barbhuiya

通讯作者: Munish K. Chandel (Indian Institute of Technology Bombay), Christopher J. Arnusch (Ben-Gurion University of the Negev), James M. Tour (Rice University), Swatantra P. Singh (Indian Institute of Technology Bombay)

DOI: 10.1021/acsnano.1c07571 | 期刊: ACS Nano | 发表年份: 2021

PDF原文

论文亮点

            闪蒸焦耳加热（FJH）技术能够快速（毫秒级）将含碳固体废物转化为高价值的闪蒸石墨烯（FG），过程无需溶剂、炉子或纯化步骤，成本低廉。
该方法不仅实现废物减量（体积减少），还将废物增值化为石墨烯产品，有助于实现近零废物管理和循环经济，具有显著环境效益。

研究背景

全球城市固体废物（MSW）年产量超过20亿吨，预计到2050年增至34亿吨， due to 人口增长、城市化和生活水平提高，管理压力巨大，70%废物最终填埋，导致环境污染和资源浪费。
传统石墨烯生产方法（如化学剥离、CVD）需要大量溶剂、能量和时间，效率低且成本高，而闪蒸石墨烯（FG）通过FJH技术提供了一种快速、低成本的替代方案。
现有废物管理方法（如回收、堆肥、焚烧）存在局限性，如残留物处理、污染排放和低价值产出，需要创新技术来实现可持续废物管理和碳循环。

研究方法

本研究采用闪蒸焦耳加热（FJH）技术将含碳固体废物转化为闪蒸石墨烯（FG）。详细方法如下：

原料准备: 使用各种含碳废物（如塑料、生物质、橡胶）作为碳源，压缩在两个导电电极（如铜电极）之间，并添加5-10 wt%的导电添加剂（如碳黑或先前生成的FG）以增强导电性。
FJH过程: 施加高电压放电（典型条件：电压~100-200 V，电流~1000 A），使温度瞬间升高至3000K以上，持续时间约10毫秒至1秒，碳源通过闪蒸加热转化为turbostratic闪蒸石墨烯（tFG）。
产物处理: 反应后，产物通过筛分分离出灰色晶体（易于剥离的tFG片层）和黑色粉末（纳米颗粒），无需进一步纯化步骤。
表征技术: 使用透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、Raman光谱和X射线衍射（XRD）对FG的结构、形貌和性质进行详细分析，以确认turbostratic结构和高纯度。
应用测试: 评估FG的分散性（在有机溶剂和水性溶液中）、稳定性以及潜在应用（如复合材料、膜技术）。

整个过程无需溶剂、反应气体或外部加热炉，能耗低（约7.2 kJ/g），且可规模化生产。

主要结论

            FJH技术能够高效地将多种含碳废物（如塑料、生物质、医疗废物）转化为高质量闪蒸石墨烯，产率高达80-90%，且产物具有优异分散性和应用潜力。
集成FJH到MSW管理系统中，可以显著减少废物填埋量，降低环境污染（如温室气体排放），同时产生高价值产品，促进经济和社会可持续发展。
SWOT分析表明，MSW作为FG前体具有成本低、可持续等优势，但需解决废物异质性和潜在毒性问题，未来有望通过进一步研究实现工业应用。

        

Figure 1: FJH过程示意图和石墨烯表征

Figure 1: FJH process and characterization

Figure 1: (a) FJH过程示意图；(b-d) tFG的TEM图像，显示旋转错配导致的条纹和moire图案；(e-g) FG的宏观和SEM图像；(h-i) Raman光谱和XRD结果。

内容描述: 该图展示了闪蒸焦耳加热（FJH）的实验装置和所得闪蒸石墨烯（FG）的微观表征。Figure 1a是FJH过程的示意图，显示碳源在电极间被压缩并施加高压脉冲；Figure 1b-d通过TEM图像显示tFG片的旋转错配结构，包括条纹和moire图案，表明turbostratic排列；Figure 1e-g展示FG产物的宏观照片和SEM图像，显示灰色晶体和黑色粉末的形貌；Figure 1h-i是Raman光谱和XRD数据，证实FG的turbostratic特性（如TS1和TS2峰）和晶体结构。

分析结果: 这些结果证明FJH成功合成了高质量turbostratic石墨烯，具有 increased interlayer distance（3.45 Å vs. 3.35 Å for AB-stacked），这便于 exfoliation 和应用。旋转错配结构增强了材料的分散性和稳定性，为废物增值提供了基础。

Figure 2: FG分散性比较

Figure 2: (a) UV-vis吸收数据用于测定tFG浓度；(b) 分散液照片；(c) tFG和商业石墨烯在DMF中的分散性比较。

内容描述: 该图比较了闪蒸石墨烯（FG）与商业石墨烯的分散性能。Figure 2a展示UV-vis吸收数据，用于定量测定tFG在溶液中的浓度；Figure 2b是tFG分散液的照片，显示其均匀性；Figure 2c通过对数坐标比较tFG和商业石墨烯在二甲基甲酰胺（DMF）中的分散性，表明tFG具有显著更高的分散能力。

分析结果: tFG显示出比商业石墨烯高60倍的分散性，这归因于其turbostratic结构和 increased interlayer spacing，使得它更容易在溶剂中 exfoliate 形成稳定分散液。这种高分散性有利于在复合材料、膜技术和涂料中的应用，提高材料性能。

Figure 3: MSW成分和碳含量

Figure 3: MSW composition and carbon content

Figure 3: (a) 各种MSW组分的碳含量；(b) MSW管理的最终步骤，包括FJH集成。

内容描述: 该图概述了城市固体废物（MSW）的组成和碳含量，以及FJH在废物管理中的集成。Figure 3a列出各种MSW组分（如塑料、纸张、生物质）的典型碳含量（重量百分比），显示MSW富含碳，适合作为FG前体；Figure 3b展示MSW管理的最终步骤流程图，包括填埋、堆肥、焚烧等，并指示FJH可以作为一个增值步骤集成其中。

分析结果: MSW的碳含量高（例如塑料~90%，生物质~40%），使其成为FG生产的理想原料。集成FJH到管理系统中，可以替代或补充传统方法，减少废物最终处置量，并产生高价值产品，实现废物到资源的转化。

Figure 4: MSW管理系统和SWOT分析

Figure 4: MSW management system and SWOT analysis

Figure 4: (a) MSW管理系统流程图，显示FJH实施点；(b) 使用MSW作为FG前体的SWOT分析。

内容描述: 该图展示了MSW管理系统的整体流程和SWOT分析。Figure 4a是一个详细的流程图，描述MSW从收集、分类到最终处理（如FJH、填埋）的各个阶段，并标注了FJH可以实施的节点（如从分类回收物或热解残渣中生产FG）；Figure 4b是SWOT分析矩阵，总结使用MSW作为FG前体的优势、弱点、机会和威胁，涵盖技术、经济、环境和社会方面。

分析结果: SWOT分析突出显示了MSW作为FG前体的优势（如成本低、可持续性），弱点（如废物异质性），机会（如市场价值高）和威胁（如 regulatory uncertainty）。这表明FJH集成有潜力实现近零废物管理，但需进一步研究解决异质性和毒性问题，以推动工业应用。