僅需8秒，塑料垃圾變身石墨烯，一舉兩得有望解決兩大世界難題

塑料廢棄物汙染是21世紀最為緊迫的環境問題之一，但大部分進入填埋場和海洋，嚴重威脅人類的生態環境和生命健康。石墨烯作為新型的二維碳材料，其製備方法主要通過剝離石墨獲得，該過程需要大量的溶劑、機械剪切力和電化學處理等，產率較低，成本較高，限制了其應用。美國萊斯大學James M. Tour教授課題組通過廉價的焦耳熱閃蒸技術可將任何碳源，無論是炭黑、石油瀝青、煤炭、輪胎還是塑料垃圾，統統在不到100毫秒的時間內變成克級石墨烯，實現了「變廢為寶」。（詳細報導：突破性進展！《Nature》：此文一出，「石墨烯」秒變「白菜價」！）進一步觀察了閃蒸石墨烯的形貌又在2020年9月10日發表了一篇《ACS Nano》（詳細報導：《Nature》之後，觀察了一下形貌，再發一篇《ACS Nano》丨「白菜價石墨烯」又有新進展）

2020年10月29日，James M. Tour教授課題組再發力，提出一種回收塑料廢棄物的方法，實驗室並沒有像原來那樣用直流電來提高碳源的溫度，而是首先使塑料廢料暴露於大約8秒鐘的高強度交流電中，然後直流震蕩，通過快速焦耳熱技術將廢棄物變成具有渦輪層的閃蒸石墨烯（FG）外，還會產生碳低聚物、氫等，處理每噸塑料廢棄物約125美元（約848元人民幣）的電力成本，同時可以獲得180千克高質量石墨烯，具有明顯經濟優勢。一舉兩得，同時解決了「廢塑料回收難」、「石墨烯製備成本高」兩大難題。相關工作以「Flash Graphene from Plastic Waste」為題發表在《ACS Nano》。

廢棄塑料回收通過焦耳熱閃蒸製備石墨烯

【塑料廢棄物焦耳熱閃蒸石墨烯】

將塑料廢棄物與炭黑混合後的導電碳粉裝在兩個電極之間的石英管中，用交流電焦耳熱閃蒸（AC-FJH）處理8 s，樣品釋放出碳低聚物和揮發物，而在銅電極之間形成閃蒸石墨烯；圖1（b）分別為2 mm、1 mm、40 μm的HDPE粉末顆粒處理的產率；圖1（c）顯示了由閃蒸的HDPE粉末在不同的初始電阻率下獲得的交流電焦耳熱閃蒸石墨烯產率，發現AC-FJH可用於由不同的熱塑性塑料生產石墨烯，如聚酯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯等。塑料的熱穩定性越高，閃蒸石墨烯產率越高，生成的揮發性低聚物越少（圖1（d））。

圖1（a）120 V AC電路原理圖（b）HDPE的交流電閃蒸石墨烯產率（c）HDPE/CB混合物的初始電阻率對石墨烯產率影響（d）來自不同塑料的交流電閃蒸石墨烯（e）廢棄塑料照片及使用商用切割機切割後與5％CB混合後的照片

【閃蒸石墨烯結構形態】

拉曼光譜發現可從多種塑料中獲得高質量的渦輪層閃蒸石墨烯，較高的IG/ID峰比值表示較低的無序度和較高的石墨烯質量。圖2（d）通過一個內部內置紅外（IR）光譜儀給出了交流電快速焦耳熱的溫度分布過程採集，數據與黑體輻射曲線擬合。事實證明，快速焦耳熱可有效地將塑料廢棄物轉化為閃蒸石墨烯，該工藝成為代替其他回收/再利用工藝所需的勞動密集型分揀步驟的理想選擇。

圖2（a,b）閃蒸石墨烯的特徵拉曼光譜（c）從PVC中觀察到的閃蒸石墨烯拉曼光譜（d）使用紅外光譜儀和黑體輻射配件收集的焦耳熱工藝溫度曲線

從不同的塑料廢棄物中獲得的石墨烯的XRD譜圖在26.1（002）和45°（001）處出現兩個峰，（002）峰的尾部延伸到低的2θ，這是由於渦輪層之間的旋轉混亂所致，同時得到的石墨烯具有較高的熱穩定性，且XPS結果中沒有檢測到雜原子的存在，表明快速焦耳熱方法對於處理原本難以重用的塑料廢棄物是有效的。得到的石墨烯平均尺寸為16 nm（圖4 b），包括四個堆疊的渦輪層，TEM圖像表明層層之間的間隔為3.45 Å，圖4 c為交流直流電閃蒸石墨烯的形態，其平均尺寸為27 nm（圖4d），比交流電閃蒸石墨烯尺寸大，表明採用交流直流電後，會促進石墨烯橫向尺寸的生長。TEM圖像的層間距離與XRD和拉曼數據一致，支持閃蒸石墨烯渦輪層形態的結論。

圖3（a）源於廢棄HDPE的石墨烯 的 XRD（b）TGA和（c）XPS（d）高解析度C 1s XPS光譜

圖4（a）源於HDPE的交流電石墨烯的TEM圖像和（b）顆粒數（n = 100）（c）源於HDPE 的交流直流電石墨烯的TEM圖像和（d）顆粒計數（n = 100）

【閃蒸石墨烯功耗】

為了計算將混合的塑料廢棄物轉換為石墨烯所需的能量，觀察樣品的電阻率隨時間變化，如圖5a所示。交流電閃蒸石墨烯過程消耗的能量約為21 kJ/g，直流電閃蒸石墨烯所需的能量約為13 kJ/g，總共需要23 kJ的能量才能將1.0 g的混合塑料廢棄物轉換為0.18 g的高質量石墨烯。這意味著將1噸塑料廢棄物轉換為180千克高質量石墨烯加揮發物的電力成本為124美元，與傳統的物理和化學回收技術相比，這使該技術的塑料回收成本具有競爭力。

圖5（a）源於HDPE的交流電石墨烯電阻率值和功耗（c）源於HDPE交流直流電石墨烯和商用石墨烯的拉曼光譜（d）抗壓強度水泥/石墨烯複合材料

【塑料廢棄物的回收性】

收集交流電石墨烯製備過程中形成的蠟質物質，並通過傅立葉變換紅外分析發現生成的蠟是具有紅外指紋性的低聚物，類似於具有低氧化度的母體塑料，如圖6所示。這些低聚物可與石油烴流混合以加工成純塑料，或可用於生產洗滌劑複合材料的添加劑。低聚物的產率＜10％，表明閃蒸的塑料廢棄物約60％轉化為氣態產物，檢測發現有氫氣產生，可以考慮在燃料電池中使用氫氣為焦耳熱過程產生清潔的補充電能使用。

圖6 處理前後廢棄塑料的紅外光譜對比

【總結】

使用少量電能將塑料廢棄物轉換為高價值的材料，大規模使用快速焦耳熱技術處理塑料廢棄物可以潛在地減少溫室氣體的排放，從而提高塑料的使用周期。據報導，生產1克純PET需要38.8 kJ的能量，而使用快速焦耳熱方法處理僅消耗23 kJ的能量。因此，應將塑料廢棄物的快速焦耳熱方法作為循環利用塑料垃圾的一種方法納入考慮中。

來源：高分子科學前沿