Upcycling and urban mining for nanomaterial synthesis

纳米材料合成的升级再造与城市采矿

Kevin M. Wyss ^a,1, Bing Deng ^a,2, James M. Tour ^{a, b, c,*,3}

^a 化学系，莱斯大学，6100 Main Street, Houston, TX 77005, USA

^b 材料科学与纳米工程系，莱斯大学，6100 Main Street, Houston, TX 77005, USA

^c Smalley-Curl研究所，纳米碳中心和Welch先进材料研究所，莱斯大学，6100 Main Street, Houston, TX 77005, USA

DOI: 10.1016/j.matt.2023.02.005 | 材料科学与工程 | 2023年

论文亮点

            开发了闪速焦耳加热（FJH）技术，可将塑料、橡胶等废弃物高效转化为高质量石墨烯和其他纳米材料
实现了从电子废弃物中高效回收贵金属和稀土元素，同时去除有毒重金属，为城市采矿提供了新方法

研究背景

全球人口增长和生活水平提高导致塑料、电子设备、电池等固体废弃物大量增加，这些废弃物含有丰富的贵金属和有用化学品资源
传统回收方法面临废弃物复杂性和污染性的挑战，需要分类、拆卸、清洗等耗时耗力的预处理步骤
升级再造（将废弃物转化为更高价值产品）和城市采矿（从城市废弃物中回收金属）成为废弃物管理的创新策略

研究方法

本研究采用闪速焦耳加热（FJH）技术作为核心方法：

FJH基本原理：通过电容器组释放大量电流，通过低电阻碳原料，在毫秒内达到3000K以上的高温，维持高温时间仅为几秒或更短
石墨烯合成：高温提供足够能量将无定形碳转化为高质量石墨烯，使其碳键重新排列为热力学更稳定的sp²杂化状态
废弃物处理：将塑料、橡胶、电子废弃物等与导电添加剂（如炭黑）混合，通过FJH过程实现资源回收
金属回收：通过FJH实现金属蒸发、真空系统气体传输和冷却区挥发物冷凝三个步骤，从电子废弃物中回收贵金属
工艺优化：使用机器学习映射FJH反应参数空间，通过模型优化获得优于人工优化方法的石墨烯质量
两步法处理：对于不导电原料（如绝缘塑料），采用两步FJH工艺：首先低电流放电使塑料碳化，然后进行高电流FJH

主要结论

FJH技术可高效将多种废弃物（塑料、橡胶、电子垃圾等）转化为高价值纳米材料，如石墨烯、碳纳米管等，同时去除有害物质如PFAS和重金属
与商业石墨烯生产方法相比，FJH法能耗降低高达88%，用水减少97%，排放减少85%，具有显著的环境和经济效益
FJH技术可实现从电子废弃物中回收>80%的Rh、Pd、Ag和>60%的Au，同时有效去除Cr、As、Cd、Hg和Pb等有毒重金属

闪速焦耳加热升级再造分析

图1：闪速焦耳加热升级再造。(a) 将导电废弃物转化为高价值涡轮层石墨烯或其他纳米材料的总体策略示意图；(b) 通过FJH将PFAS污染废弃物升级再造为纳米材料产品的拉曼光谱表征；(c-e) 通过FJH将PFAS污染废弃物升级再造为纳米材料产品的透射电镜图像；(f) 不同添加量的闪速石墨烯增强水泥的拉伸和压缩强度测试；(g) 通过FJH将报废车辆废塑料升级再造为石墨烯的从摇篮到大门生命周期评估

分析结果：FJH技术成功将多种废弃物转化为高价值纳米材料。图1b的拉曼光谱显示不同氟化纳米材料的特征峰，证明FJH可控制产物相态和氟含量。图1c-e的TEM图像展示了不同形态的纳米材料结构，插图中的FFT分析证实了其晶体结构。图1f显示添加闪速石墨烯可显著提高水泥的机械性能。图1g的生命周期评估表明FJH法相比其他石墨烯生产方法具有显著的能源和环境优势。

闪速焦耳加热城市采矿分析

图2：闪速焦耳加热城市采矿。(a) 由FJH装置、真空系统和冷阱组成的蒸发分离系统示意图；(b) 废弃PCB图片；(c) 贵金属和碳的蒸气压-温度关系；(d) 使用NaF、NaCl和NaI混合物作为添加剂时贵金属的回收率；(e) 重金属的去除效率和收集率；(f) 从F类CFA原材料和活化CFA中pH依赖的稀土元素浸出能力；(g) 从活化CFA-F中HCl可浸出的单个稀土元素含量及回收率增加情况；(h) Y₂O₃、YPO₄、La₂O₃和LaPO₄在100mL溶液中的计算溶解曲线

分析结果：FJH技术为城市采矿提供了高效解决方案。图2a展示了完整的金属回收系统。图2d显示添加卤化物可显著提高贵金属回收率（Rh、Pd、Ag >80%，Au >60%）。图2e证明FJH能有效去除有毒重金属（Cr、As、Cd、Hg、Pb）。图2f-g表明FJH活化使稀土元素浸出能力提高187-206%，即使使用稀酸也能实现高回收率。图2h的理论计算解释了FJH通过将难溶稀土磷酸盐转化为易溶氧化物来提高回收率的机制。

废弃物升级再造过程分析

图3：废塑料和电子废弃物的升级再造过程。(a) 微波和FeAlOₓ将高密度聚乙烯升级再造为氢气和多壁碳纳米管的 proposed 机制示意图；(b) 将电子废弃物升级再造为铜纳米颗粒的方法示意图

分析结果：除了FJH技术，还有其他创新方法实现废弃物升级再造。图3a展示了微波辅助将塑料转化为氢气和碳纳米管的机制，右侧的SEM图像显示了形成的多壁碳纳米管结构。图3b展示了一种从印刷电路板中超声波分离铜箔，然后使用环境友好化学品合成铜纳米颗粒的方法，成本比商业方法低6倍，左下角的TEM图像显示了制备的铜纳米颗粒。

先进金属回收与升级再造技术

图4：金属回收与升级再造的先进技术。(a) TiO₂在365nm紫外光照下以CH₃CN和CH₂Cl₂为溶剂的光催化选择性溶解金属示意图；(b) 不同反应时间下选择性光催化金属催化剂的溶解百分比；(c) 氧化物-硫化物阴离子交换化学加剧了金属化合物之间的热力学差异；(d) 锂离子电池回收的选择性硫化；(e) 稀土磁体回收的选择性硫化；(f) 熔融铁直接脱碳的电化学电池和电解精炼过程示意图；(g) 铝废料升级再造的固态电解过程示意图；(h) 显示典型合金元素分离到阳极泥中的组成分析

分析结果：多种先进技术正在推动金属回收和升级再造领域的发展。图4a-b展示了一种光催化方法，使用TiO₂在紫外光照下选择性提取贵金属，纯度>98%，催化剂可重复使用>100次。图4c-e展示了选择性硫化技术，通过控制气体分压、流速和碳添加等参数，可选择性地硫化目标金属，应用于镍锰钴锂离子电池阴极和钕铁硼磁体的回收。图4f-h展示了铁和铝的电解精炼技术，可生产超低碳钢和高纯铝，能耗比原铝生产低50%。