莱斯大学的化学家与福特汽车公司的研究人员合作，正在通过该大学的闪光焦耳加热工艺将报废车辆中的塑料部件转化为石墨烯。化学家詹姆斯·图尔（James Tour）的莱斯实验室于2020年引入了闪焦耳加热，将煤、石油焦和垃圾转化为石墨烯。此后，该实验室调整了将塑料废物转化为石墨烯并从电子废物中提取贵金属的过程。
平均每辆SUV含有高达350公斤（771磅）的塑料，可以在垃圾填埋场中放置几个世纪，但对于新一期《自然》杂志《通信工程》的首期开放获取论文中报道的回收过程。
由Tour和研究生以及主要作者Kevin Wyss领导的该项目的目标是重复使用石墨烯为新车制造增强型聚氨酯泡沫。测试表明，注入石墨烯的泡沫的拉伸强度提高了34%，低频噪声吸收增加了25%。石墨烯仅占重量的0.1%或更少。
当新车变旧时，泡沫可以再次闪现成石墨烯。
福特从车辆粉碎厂给我们送来了10磅混合塑料垃圾。它泥泞潮湿。我们闪光了它，我们把石墨烯送回福特，他们把它放进新的泡沫复合材料中，它做了它应该做的一切。然后他们给我们寄来了新的复合材料，我们把它们闪光了，然后把它们改回石墨烯。这是循环回收的一个很好的例子。
—詹姆斯·图尔
研究人员引用了一项研究，该研究估计，在过去六年中，车辆中使用的塑料量增加了75%，作为减轻重量和提高燃油经济性的一种手段。
图尔说，按类型分离混合报废塑料以进行回收一直是汽车行业的一个长期问题，并且由于围绕报废车辆的潜在环境法规，它变得越来越重要。
在欧洲，汽车回到制造商，只允许将车辆的5%填埋。这意味着他们必须回收95%，这对他们来说是压倒性的。
—詹姆斯·图尔
根据共同作者，福特可持续发展技术研究员Deborah Mielewski表示，大部分混合塑料最终被焚烧，他指出，美国每年粉碎1000万至1500万辆汽车，全球有超过2700万辆汽车被切碎。
我们在车辆上有数百种不同的塑料树脂，填料和增强材料组合，使材料无法分离。每个应用都有特定的负载/混合物，最经济地满足要求。
——黛博拉·梅莱夫斯基
闪蒸焦耳加热，使石墨烯包装混合研磨塑料和焦炭添加剂（用于导电性）在管中的电极之间，并用高压喷射。突然的强烈热量 – 高达近5，000华氏度 – 蒸发了其他元素，并留下了易于溶解的涡轮层石墨烯。
闪热提供了显着的环境效益，因为该过程不需要溶剂，并且使用最少的能量来生产石墨烯。
为了测试是否可以将报废的混合塑料进行改造，Rice实验室将由塑料保险杠，垫圈，地毯，垫子，座椅和门壳制成的碎纸机绒毛从报废的F-150皮卡车研磨成细粉，而无需清洗或预分类组件。
实验室分两步闪蒸粉末，首先在低电流下，然后在为实验定制的加热器Wyss中高电流。
将ELV-WP转换为FG的FJH的工艺原理图，工作流程和电流放电。a 用于低电流 （LC） 和高电流 （HC） 放电的定制设计的双功能 FJH 站的框图，其工作程序如下所示。b 将ELV-WP转换为ELV-WP-FG的FJH程序的典型电流放电曲线。Wyss等人
粉末在低电流下加热10到16秒之间，产生了一种高度碳化的塑料，约占初始体积的30%。另外70%被除气或回收为富含碳氢化合物的蜡和油，Wyss建议也可以回收利用。
然后，碳化塑料受到大电流闪光，将其中的85%转化为石墨烯，同时除去氢气，氧气，氯，硅和微量金属杂质。
结果的生命周期分析（LCA）涉及将闪蒸汽车零件中的石墨烯与其他方法生产的石墨烯进行比较，并评估回收效率。他们的研究结果表明，与其他方法相比，闪焦耳加热产生的石墨烯在能源，温室气体排放和用水量方面显着减少，甚至包括将塑料碎纸机绒毛减少到粉末所需的能量。
工艺流程和生命周期评估比较石墨烯合成方法。a 各种石墨烯合成路线的工艺流程图，显示生命周期清单，包括所有考虑的输入和输出。附带输入和输出以蓝色字体显示，以区别于显式输入和输出。图比较了不同石墨烯合成方法的b、累积能量需求、c全球变暖潜能值和d累积用水量。Wyss等人
福特研究的技术专家Alper Kiziltas表示，自2018年以来，福特在其车辆中使用了高达60磅的聚氨酯泡沫，其中约2磅是石墨烯增强的，他专注于可持续性和新兴材料。
当我们从Rice获得石墨烯时，我们以非常少量的量将其掺入泡沫中，并看到了显着的改进。它超出了我们的预期，为我们的应用提供了出色的机械和物理性能。
——阿尔珀·克孜勒塔斯
福特首先将石墨烯引入各种其他引擎盖下组件，并于2020年增加了石墨烯增强的发动机盖。克孜勒塔希表示，该公司希望用它来加固硬塑料。
随着福特向电动汽车的过渡，我们与赖斯的合作发现将变得更加重要。当您消除内燃机产生的噪音时，您可以更清楚地听到车内和车外的其他一切。
能够减轻噪音更为关键。因此，我们迫切需要更好的隔音和减振剂泡沫材料。这正是石墨烯可以使用极低水平提供惊人的噪声缓解的地方。
——黛博拉·梅莱夫斯基
空军科学研究办公室（FA9550-19-1-0296），能源部国家能源技术实验室（DE-FE0031794）和国家科学基金会研究生研究奖学金支持了这项研究。
资源
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- Wyss, K.M., De Kleine, R.D., Couvreur, R.L. et al. (2022 “Upcycling end-of-life vehicle waste plastic into flash graphene.” Commun Eng 1, 3 doi: 10.1038/s44172-022-00006-7
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