美国莱斯大学James Tour教授课题组发现了闪蒸焦耳热技术，近两年来，在大批量制备石墨烯，废塑料制备石墨烯，废橡胶制备石墨烯，亚稳态过渡金属碳化物合成，掺杂石墨烯制备，废塑料制备多孔高比表面石墨烯等方面得到一系列令人瞩目的成果。
Professor James Tour
Kevin Wyss
美国莱斯大学研究生
废弃车辆会产生多少废物，为什么会出现这样的问题？
Kevin Wyss：
随着汽车努力提高燃油效率，每辆车的塑料用量平均增加到350公斤。当汽车变旧并最终被切碎时，金属会被去除，塑料通常会被燃烧或填埋，从而导致环境问题。因为廉价而有效的回收方法还不常见，这意味着每年有数百万公斤的塑料。欧盟实施了报废汽车指令，以确保到2015年回收报废汽车中95%的原材料。但是，由于塑料回收的成本，几乎所有国家仍然未能满足今天的这些指导方针。
您的研究创建了一个流程，可以将废弃汽车中的塑料部件升级为石墨烯。您能否描述一下实现这一点的方法？
Professor James Tour：
对于我们的流程，我们从来自商用汽车塑料剥离器的车辆末端废塑料开始。它很脏，各种聚合物混合在一起。我们将它磨成小块，然后使用闪蒸焦耳加热对其进行升级，我们将电流通过塑料，并添加一点煤以使其具有导电性。该电流加热样品，首先碳化塑料，然后将其转化为高质量的涡轮层状石墨烯，所有这些都在不到30秒的时间内完成。
在这个快速加热过程中，废塑料中的所有污染物都会升华，我们得到的石墨烯粉末无需进一步纯化即可使用！因此，我们向福特汽车公司发送了20克石墨烯，用于测试他们在汽车中使用的新型下一代石墨烯纳米复合材料。福特将我们的石墨烯放入新的复合材料中，并且达到了预期的效果——增韧和隔音。然后他们给我们寄来了那些石墨烯泡沫复合材料，我们再次将它们全部闪入新的石墨烯中。你看到无限循环的前景了吗？
回收和升级回收有什么区别？
Kevin Wyss：
塑料的回收利用是众所周知的——通过物理或化学方式将废旧聚合物转化为可在相同或类似应用中再次使用的塑料产品。然而，与制造原始聚合物产品相比，回收过程通常花费更多时间和资源。
相比之下，升级回收将废聚合物转化为更有价值的产品，在这种情况下是石墨烯。例如，目前，石墨烯每吨的成本可能超过60,000美元，远高于每吨HDPE聚合物约2,000美元的价值。由于产品价值高，升级再造通常被视为使聚合物废物在经济上可行和受到激励的一种方式。此外，某些类型的塑料，如泡沫座垫，无法回收。它们主要被填埋，但可以使用我们的工艺进行升级回收。
这个过程中的新石墨烯可以用于哪些应用？
Professor James Tour：
石墨烯终于开始看到大规模的工业应用。自2020年2月以来，所有福特汽车至少在泡沫垫座椅和引擎盖下的绝缘材料中都含有石墨烯。当我们在强化应用中进行测试时，我们升级后的石墨烯产品与商业石墨烯相比具有相似或优越的性能。
Kevin Wyss：
我们使用闪蒸焦耳加热生产的石墨烯已用于多种材料复合材料——从水泥到聚氨酯泡沫和其他聚合物，甚至是聚乙烯醇薄膜。石墨烯可以显着提高复合材料的机械性能、吸音性能和水分稳定性。
我们的石墨烯产品的其他应用包括可充电电池或超级电容器中的电化学能量存储以及电催化。涂层、过滤器或油墨可能是我们石墨烯产品的其他一些应用。
新生产的材料的性能与通过传统方法制造的材料相比如何？
Professor James Tour：
大多数用于散装应用的石墨烯是通过机械、超声波或电化学方式对石墨进行剥离制成的。我们的方法是自下而上的合成，我们通过碳-碳键的组装来制造石墨烯。
Kevin Wyss：
与市售石墨烯相比，我们发现升级后的石墨烯产品的可分散性是其两倍以上。将石墨烯分散在溶剂中通常是在复合材料等应用中使用它的第一步，因此它是一项基本特性。虽然这取决于制造方法，但我们经常发现我们的石墨烯产品也比大多数商业石墨烯更纯净、质量更高。
汽车制造商福特汽车公司与您合作开展这项研究。他们的角色是什么？立即获得商业利益的感觉如何？
Kevin Wyss：
福特在研究过程的每个阶段都为我们提供了极大的帮助。他们从垃圾填埋的F-150卡车为我们提供了真正的报废汽车废塑料，制造并测试了用石墨烯增强的汽车聚合物泡沫，他们的可持续发展专家帮助我们进行了生命周期评估。作为一名研究生，很高兴看到福特的兴趣，并对工业中发生的材料化学有所了解和欣赏。
这种方法的可扩展性如何？我们何时以及如何将其应用于大多数报废车辆？
Professor James Tour：
数百万公斤的汽车废塑料规模意味着当然需要从实验室规模的反应器进一步扩大工艺规模。然而，Universal Matter正在努力扩大闪蒸焦耳加热工艺，以便每天能够处理大量材料！到2022年底每天1吨，1年后每天100吨。
Kevin Wyss：
在整个项目中，我们希望使过程尽可能实用和简单。为此，我们设计和建造了一个更大规模的一体化闪蒸焦耳加热系统，使用真正的报废汽车废塑料，并确保我们的过程不需要任何分类、清洗或昂贵的添加剂或净化。
然后，我们让石墨烯使用行业的领导者之一福特汽车公司在他们的汽车零部件中测试我们的产品，从而测试了我们产品的实用性。进行了生命周期评估，以确认我们工艺的效率和实用性。
您尚未克服的过程是否有任何限制？
Kevin Wyss/Professor James Tour：
我们已经能够升级回收所有类型的废塑料，甚至是混合流或脏流。一个考虑因素是，可以提高闪蒸焦耳加热反应的产率，以便从每克升级循环的塑料中获得更多的石墨烯。我们目前正在研究如何通过闪蒸焦耳加热来提高产量并从废塑料中获得其他价值流。
这项研究将如何有助于使汽车行业更具可持续性或循环性？
Professor James Tour：
我们继续与福特汽车公司合作，研究我们可以使用闪蒸焦耳加热制造的其他产品，生命周期分析表明，我们的方法使用的能源减少了88%，水减少了95%，二氧化碳排放量减少了80%。现在通过这种商业塑料，石墨烯的价格下降，石墨烯将进入更多汽车塑料，这些塑料将取代现在的金属部件。这一切都是为了减轻车辆的重量以提高能源效率。
Kevin Wyss：
通过展示我们可以将聚合物甚至纳米复合聚合物不断升级为高价值石墨烯，我们展示了一种方式，即汽车行业可以以更可持续和循环的方式利用目前填埋的资源。而且，由于石墨烯的高价值，它在经济上激励了对报废汽车废塑料进行负责任的废物管理。
对您而言，这项新研究中最令人兴奋的方面是什么？
Professor James Tour：
这会对世界的废物管理产生巨大影响。
Kevin Wyss：
与福特汽车公司密切合作，看到业界对我们实验室研究的兴趣真的让我兴奋不已。生命周期评估是以高效和可持续的方式指导制造的强大工具。我非常感谢与福特和该领域其他领域的专家一起工作并向他们学习这个主题。福特的整个团队都处于升级再造、回收和可持续制造的最前沿，所以我很高兴见到如此出色的合作者并与他们一起工作。
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