生物质废物变石墨烯，环境足迹锐减

石墨烯因其独特的物理和化学特性，如超薄的厚度、极高的强度和卓越的热电导性，受到了科研、工业和政策制定者的极大关注。这种具有革命性的材料预计将在生物医药、电子、能源存储和航空航天等多个领域引发变革。然而，传统的石墨烯制备方法，主要依赖于自上而下的合成策略，不仅对环境构成挑战，如大量使用有害溶剂和高能耗，而且其碳足迹巨大，每生产一克石墨烯会产生高达620克二氧化碳当量的排放。此外，这些方法对天然石墨资源的依赖，也预示着资源枯竭的风险。尽管已有尝试使用农作物残余、废弃塑料等可持续原料生产石墨烯，但这些方法得到的石墨烯质量较低，限制了其广泛应用。最近，闪光焦耳加热技术以其仅需电力即可从废料中制备高质量石墨烯的潜力，为解决这些挑战提供了新途径，但其环境可持续性尚待通过生命周期评估等系统方法进行深入研究。

文章简介

2022年，复旦大学朱向东/重庆大学杨易课题组在《One Earth》上发表了题为“Graphene environmental footprint greatly reduced when derived from biomass waste via flash Joule heating”的研究论文。本研究设计了一套基于连续交流闪蒸焦耳加热（AC-FJH）和随后的直流闪蒸焦耳加热（DC-FJH）过程的FJH系统，利用林业和农业残留物（如锯末、小麦秸秆、玉米秸秆和稻草）生产FG。实验结果显示，每0.2克生物质废物可以生产约0.02克FG。研究团队还测量了两种过程的材料使用、能耗和空气污染排放，并利用来自中国的上游数据，将测量数据输入生命周期评估（LCA）模型中。通过与基于生产1克石墨烯的传统技术（例如氧化还原和电化学剥离）的生命周期影响结果进行比较，本研究发现FJH技术生产的FG在环境足迹上显著降低，尤其是至少减少了10倍的碳排放和淡水提取量。值得注意的是，当FJH过程使用可再生能源供电时，所提出的生物质废物衍生FG可以轻松实现碳中和。此外，基于生物质废物的FJH技术效率更高，FG的成本估计仅为传统石墨烯的五分之一甚至更低。总之，本研究揭示了FJH技术对石墨烯生产环境和经济可持续性的巨大贡献，并有潜力通过提升生物质废物的价值，促进循环生物经济的转型。

图文导读

本研究深入探讨了 FJH技术在生物质废物转化石墨烯（Flash Graphene, FG）过程中的环境影响，并与传统石墨烯制备方法进行了比较分析。研究通过实验室规模的实验，使用交流（AC-FJH）和直流（DC-FJH）闪蒸焦耳加热系统，将林业和农业残留物（如锯末、小麦秸秆、玉米秸秆和稻草）转化为FG。实验结果表明，从0.2克生物质废物中可制备出约0.02克FG，同时测量了两种过程中的材料使用、能耗和空气污染排放情况，并将数据输入生命周期评估（Life Cycle Assessment, LCA）模型进行分析。

图1 展示了全球石墨储量的预估，指出了对天然石墨资源的依赖及其潜在的枯竭风险。本研究利用FJH技术，仅使用电力，即可从各种废物材料中生产出高质量的FG，这一技术避免了使用有毒化学物质，为废物的增值提供了新的途径。

图2 详细展示了不同生物质来源的FG的拉曼光谱、原子力显微镜（AFM）、透射电子显微镜（TEM）图像以及电化学性能测试结果，证明了FG的高质量和优异的电导性，适合用作电化学能量存储设备的电极材料。

图3 描述了生物质衍生FG的制备路线和过程，包括系统边界、各组分产率以及合成单位质量净FG的合成气和温室气体（GHG）产率。

图4 对比了生物质基FG系统和传统石墨烯系统在不同规模下的生命周期温室气体排放，并分析了在可再生能源使用前后的气候变化影响。

图5 展示了基于ReCiPe 2008方法评估的实验室规模下，生物质基FG系统和传统石墨烯系统在其他生命周期环境影响方面的比较。

研究结果表明，与传统方法相比，FJH技术生产的FG在环境足迹上显著降低，尤其是碳排放和淡水提取量至少减少了10倍。值得注意的是，当FJH过程使用可再生能源供电时，所提出的生物质废物衍生FG可以轻松实现碳中和。此外，基于生物质废物的FJH技术在成本上更具优势，FG的成本估计仅为传统石墨烯的五分之一甚至更低。本研究揭示了FJH技术对石墨烯生产环境和经济可持续性的重大贡献，并有潜力通过提升生物质废物的价值，促进循环生物经济的转型。

总结与展望

本研究证实，采用闪蒸焦耳加热（FJH）技术从生物质废物中生产的闪蒸石墨烯（FG）在环境影响方面远低于传统石墨烯生产方法。FG具有更低的碳足迹，并有潜力在利用可再生能源时实现碳中和，而传统技术则因化学物质的大量使用而难以达到这一点。此外，FJH技术的生命周期评估显示，其在多个环境影响类别中的表现均优于传统技术，且具有实现更大规模应用的潜力。

尽管实验室规模的数据显示FG生产效率和环境效益均优于传统方法，但工业化规模生产还需进一步研究。预计自动化FJH设备将显著提高生产效率，同时减少生命周期影响。目前，FG作为导电添加剂的使用可能会降低生产效率并增加环境影响，因此建议使用碳黑作为更环保的替代品。此外，虽然生命周期评估中存在一定的不确定性，但这些因素不太可能动摇FG在环境性能上的优势。

FJH技术在供应链的上游和下游均展现出潜在的经济和环境优势。在上游，它为生物质废物的增值提供了新途径，而在下游，FG的低成本预计将推动其在更广泛行业中的应用。这些优势表明，FJH技术不仅有助于推动石墨烯产业的环境可持续性，也为循环生物经济的发展提供了新动力。未来的研究应关注FG的进一步应用，以及如何通过技术创新和规模经济实现更广泛的环境和经济效益。

文章链接

Chao Jia, Mingyue Pang, Yuanda Lu, Yize Liu, Minghao Zhuang, Beibei Liu, Jiahao Lu, Tao Wei, Liang Wang, Ting Bian, Meiling Wang, Fengbo Yu, Liming Sun, Litao Lin, Tao Teng, Xuan Wu, Zhelin He, Jie Gao, Jiewen Luo, Shicheng Zhang, Lei Feng, Xinhan Yin, Fengqi You, Gang Li, Lixiao Zhang, Yong-Guan Zhu, Xiangdong Zhu, Yi Yang. Graphene environmental footprint greatly reduced when derived from biomass waste via flash Joule heating. One Earth, 2022.

https://doi.org/10.1016/j.oneear.2022.11.006.