随着化石燃料的大量燃烧和塑料废弃物的不当处理，二氧化碳（CO2）排放已成为全球性的环境问题。CO2不仅是温室气体的主要组成部分，还对气候变化产生了深远的影响。为了应对这一挑战，研究人员一直在探索将CO2转化为有用材料的方法。石墨烯作为一种具有卓越机械、热学和电学性能的二维碳纳米材料，近年来受到了广泛关注。然而，传统的石墨烯制备方法存在能耗高、成本昂贵等问题。因此，开发一种既能减少CO2排放，又能高效制备石墨烯的方法，对于推动材料科学和环境保护具有重要意义。
文章简介
2023年，莱斯大学James M. Tour教授研究团队在国际知名期刊《Macromolecular Materials and Engineering》上发表了题为“Conversion of CO2-Derived Amorphous Carbon into Flash Graphene Additives”的文章。该研究提出了一种将CO2衍生的非晶碳（Amorphous Carbon, AmoC）通过闪光焦耳加热（Flash Joule Heating, FJH）技术转化为闪光石墨烯（Flash Graphene, FG）的新方法。该方法能够在毫秒级时间内，将碳源材料快速加热至3000 K以上，促使碳原子重排形成石墨烯结构。研究团队还探索了将AmoC与废弃塑料混合，通过FJH技术制备FG的可能性，旨在实现废弃物的高值化利用。制备出的FG作为增强添加剂，被成功应用于环氧树脂和不饱和聚酯树脂等复合材料中，显著提高了材料的杨氏模量和硬度。此外，生命周期评估显示，添加FG的复合材料在减少CO2排放、节约水资源和降低能耗方面具有显著优势。这一研究为CO2的捕集、固定和利用提供了新的技术途径，同时也为废弃塑料的高值化利用开辟了新的道路。
图文导读
图1 展示了非晶碳（AmoC）和聚乙烯（PE）混合物通过闪光焦耳加热（FJH）技术转化为FG的过程。图示中，AmoC和AmoC:PE混合物被压缩在两个电极之间，在FJH的作用下迅速转化为FG。该过程不仅将CO2转化为有用的碳材料，还实现了废弃物的高值化利用。图中的比例尺为2.5厘米，直观地展示了原材料和树脂基体的尺寸对比。
图2 通过拉曼光谱分析，揭示了AmoC及其与PE混合物在FJH处理后FG的结构特征。图中a展示了原始AmoC的拉曼光谱，其具有较高的D带和较低的G带，表明材料的非晶态。经过FJH处理后，FG的D带强度降低，ID/IG比值减小，I2D/IG比值增加，表明FG的结构更加完善，缺陷减少。图中不同颜色的线条代表了不同电压下的FJH处理结果，显示了电压对FG质量的影响。
图3 利用透射电子显微镜（TEM）图像，直观地展示了AmoC及其混合物在FJH处理后FG的微观形态。TEM图像中，AmoC呈现出无定形结构，而FJH处理后的FG则显示出较大的片层结构，尺寸超过500纳米。50:50 AmoC:PE FG和25:75 AmoC:PE FG的图像中，可以看到大尺寸片层与小尺寸片层的共存，反映了不同组分对FG形态的影响。
图4 通过扫描电子显微镜（SEM）图像，进一步分析了AmoC、AmoC FG、50:50 AmoC:PE FG和25:75 AmoC:PE FG的表面形貌。SEM图像中，AmoC的无定形特征和FJH处理后FG的片层结构得到了清晰的展示。特别是，50:50和25:75 AmoC:PE FG的图像中，大尺寸和由PE转化而来的小尺寸颗粒共存，揭示了混合物组分对FG形态的影响。
图5 展示了FG作为增强添加剂在VE和DGEBA树脂中应用时的机械性能测试结果。图中a对比了纯VE和加入5 wt% FG的VE的机械性能，显示了FG添加剂对杨氏模量和硬度的显著提升。图b进一步展示了不同加载量下50:50 AmoC:PE FG对VE性能的影响，表明随着FG含量的增加，材料的机械性能得到提升。图c、d和e分别展示了AmoC FG、50:50 AmoC:PE FG和25:75 AmoC:PE FG在DGEBA树脂中的应用效果，同样显示出FG添加剂对提高材料机械性能的积极作用。
图6 通过生命周期评估（LCA），对比了纯VE或DGEBA与加入5 wt% FG的复合材料在环境影响方面的差异。图中a、b和c分别展示了CO2排放、水耗和能耗的对比结果。结果表明，加入FG添加剂能够在一定程度上降低复合材料的环境影响，具有积极的环境效益。
总结
本文的研究工作成功地展示了一种创新的方法，即将CO2衍生的非晶碳（AmoC）通过闪光焦耳加热（FJH）技术转化为具有高附加值的闪光石墨烯（FG）添加剂。这一转化不仅有助于减少CO2排放，而且FG作为一种新型增强材料，显著提升了环氧树脂和不饱和聚酯树脂等复合材料的机械性能，如杨氏模量和硬度。此外，生命周期评估（LCA）结果表明，与传统材料相比，使用FG增强的复合材料在减少CO2排放、节约水资源和降低能耗方面具有明显优势。
研究中还发现，通过调整AmoC与聚乙烯（PE）的混合比例，可以优化FG的结构和性能，进一步改善复合材料的机械特性。尽管在高应变下，FG与基体材料之间的界面相互作用尚需进一步优化，以提高复合材料的整体性能，但本研究无疑为FG在高性能电子器件和抗菌表面的潜在应用提供了新的思路。
此外，本研究还为塑料废弃物的高值化利用提供了一种有效的途径。通过将废弃塑料与AmoC混合，再经过FJH处理，不仅可以减少塑料废弃物的环境影响，还能将其转化为具有实际应用价值的FG，实现了废弃物的资源化利用。
总之，本研究不仅在材料科学领域提供了一种CO2减排和利用的有效策略，而且为FG在更广泛领域的应用奠定了基础。未来，通过进一步改进FJH技术，优化FG与基体材料的界面相互作用，以及探索FG在其他领域的应用潜力，可以预期FG将在促进可持续发展和环境保护方面发挥重要作用。
文章链接
Paul Andrade Advincula; Wei Meng; Jacob L Beckham; Satish Nagarajaiah; James M Tour. Conversion of CO 2 ‐Derived Amorphous Carbon into Flash Graphene Additives. Macromolecular materials and engineering. , 2024, Vol.309(2).
https://doi.org/10.1002/mame.202300266
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