随着城市化进程的加速，城市固体废物（MSW）的处理和回收问题日益凸显。传统的填埋和焚烧方法不仅占用大量土地资源，还会导致严重的环境污染和温室气体排放。因此，开发一种既环保又经济的MSW处理技术具有重要的现实意义。石墨烯作为一种具有卓越电子、热传导性和机械强度的二维材料，其在能源存储、催化、复合材料等多个领域的应用前景广阔。然而，高质量石墨烯的制备通常需要高昂的成本和复杂的工艺。本研究提出了一种创新的方法，即通过闪蒸焦耳加热（Flash Joule Heating, FJH）技术，MSW转化为石墨烯，这不仅为MSW的可持续处理提供了新思路，也为石墨烯的低成本、大规模生产开辟了新途径。
文章简介
近日，莱斯大学James M. Tour教授研究团队在国际知名期刊《Small》期刊发表题为“Graphene Derived from Municipal Solid Waste”的论文。本研究利用FJH技术将经过预处理的MSW转化为石墨烯。研究团队首先对MSW进行了预处理，包括干燥和热解，以降低水分和毒性。随后，将预处理后的MSW与废弃木材（WWT）混合，利用WWT的导电性降低整体材料的电阻，使其适合进行FJH处理。通过施加高电压电脉冲，MSW中的碳键迅速断裂并重新形成sp2杂化的石墨烯晶格。研究结果表明，与传统的MSW处理方法相比，FJH技术能够显著降低71%-83%的全球变暖潜能（GWP），并且具有负面的净成本（即盈利），显示出极高的经济吸引力。
图文导读
图1 展示了常见的MSW处理方法与FJH技术的比较。填埋和焚烧是当前主要的处理方式，而FJH技术提供了一种新的环境友好型替代方案。
图2 描述了FJH过程中的电流和温度变化。通过不同电压的电放电，样品迅速升温至约2550°C，有助于碳键的解离和重组成石墨烯。
图3 展示了原料和石墨烯产物的拉曼光谱、X射线衍射（XRD）、X射线光电子能谱（XPS）和热重分析（TGA）。这些数据证实了石墨烯的成功制备和其较高的热稳定性。
图4 通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）图像，展示了石墨烯的层状形态和高结晶性。
图5 展示了石墨烯的BET比表面积分析和在1%普朗尼克F-127溶液中的分散性测试。结果表明，FJH处理后得到的石墨烯具有较低的比表面积和适中的分散性。
图6 进行了生命周期评估（LCA）和技术分析，比较了FJH技术与传统MSW处理方法在全球变暖潜能（GWP）和成本效益方面的差异。FJH技术显示出显著的环境和经济效益。
总结展望
本研究成功地展示了一种将城市固体废物转化为高附加值石墨烯的创新技术。FJH技术不仅能够有效降低MSW处理的环境影响，还具有显著的经济效益。此外，该技术生产的石墨烯具有优良的晶体质量和高比表面积，有望在能源存储、催化和复合材料等领域得到广泛应用。未来，进一步优化FJH工艺，提高石墨烯产率和质量，降低生产成本，将是推动该技术商业化的关键。同时，探索石墨烯在更多领域的应用，将为可持续材料科学和环境保护提供更多可能性。
文章链接
Karla J Silva; Kevin M Wyss; Carolyn H Teng; Yi Cheng; Lucas J Eddy; James M Tour. Graphene Derived from Municipal Solid Waste. Small : nano micro., 2024. DOI: 10.1002/smll.202311021
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