3000K高温100毫秒闪蒸：废旧塑料灰转石墨烯

热解作为一种化学循环技术，通过裂解塑料废弃物聚合物，不仅能够提取能量丰富的物质，还有助于构建循环塑料经济。然而，这一过程产生的副产品——热解灰（PA），由于价值不高，往往被忽视。面对化学循环在经济上的挑战，将这些副产品转化为高价值商品，如具有卓越机械、化学、热学和电学性能的石墨烯，显得尤为重要。传统石墨烯的合成方法成本高昂且难以规模化，限制了其广泛应用。本研究通过闪蒸焦耳加热技术，将成本低廉、来源广泛的PA高效转化为高纯度的涡轮层状闪蒸石墨烯（tFG），不仅提升了废弃物的经济价值，还为增强聚乙烯醇和波特兰水泥等复合材料的性能提供了新方案。

文章简介

2021年，莱斯大学James M. Tour教授研究团队在《Carbon》上发表了题为“Converting plastic waste pyrolysis ash into flash graphene”的论文。本研究提出了一种创新的塑料废弃物热解灰（PA）的高值化利用方法。热解是塑料废弃物（PW）商业化回收的一种方式，但目前面临经济效益挑战，并且在处理过程中会产生高达20%的无价值PA副产品。本文展示了直接将PW衍生的PA转化为高纯度涡轮层状闪蒸石墨烯（tFG）的简便途径。所制备的tFG在水性表面活性剂溶液中表现出卓越的分散性，浓度可达2.84 mg/mL。进一步地，tFG被用于制造tFG-聚乙烯醇（PVA）纳米复合材料，即使在0.1%至1%的低添加量下，与纯PVA样品相比，其断裂应变也提高了15%至30%。此外，tFG的加入还降低了PVA膜的亲水性，接触角增加了235%，吸水量比纯PVA减少了500%。tFG还被添加到波特兰水泥浆和混凝土中，分别使压缩强度提高了43%和25%。与许多其他用于纳米复合材料的产品不同，tFG在这两种复合材料应用中直接使用，无需纯化或化学功能化。这一成果不仅为废弃的PA提供了一种高值化利用途径，也为制备高性能纳米复合材料开辟了新方向。

图文导读

本研究成功地将塑料废弃物热解产生的副产品——热解灰（PA），转化为高纯度的涡轮层状闪蒸石墨烯（tFG）。这一过程不仅提高了废弃物的经济价值，还为制备高性能纳米复合材料提供了新的材料来源。

图1 展示了通过优化脉冲电压和脉冲时间，利用粉末X射线衍射（XRD）和拉曼光谱分析得到的tFG的最佳制备条件。研究人员发现，使用160V的脉冲电压和450ms的脉冲时间，可以在保持高产量的同时，获得最小的D峰和最佳的2D/G比值，这表明了tFG的高质量和高结晶度。

图2 通过热重分析（TGA）展示了tFG的热稳定性，结果表明，随着脉冲电压和时间的增加，tFG的热稳定性显著提高，这与PA向tFG转化的程度直接相关。

利用X射线光电子能谱（XPS）对tFG的纯度进行了分析，图S3 和 表1 显示，经过FJH处理后，tFG中的杂质元素（如氧、硫和锌）含量显著降低，证明了FJH过程在去除杂质方面的高效性。

图3 通过拉曼光谱进一步确认了tFG的涡轮层状结构，其单一洛伦兹拟合和TS1、TS2峰的存在，以及约1750 cm−1处M带的缺失，均表明了tFG的非堆叠、非AB堆叠的特性。

通过高分辨率扫描电子显微镜（SEM）图像，图4 展示了PA衍生的tFG的形态，包括类似“皱纹石墨烯”的细小黑色粉末和较大的灰色晶体。这些晶体在FJH过程中形成的纳米晶域，随着脉冲时间的延长，可以组装成更大的片层。

图5 利用透射电子显微镜（TEM）进一步研究了tFG的层间距和片层尺寸，观察到的层间距为0.349 nm，片层尺寸从20 nm到数微米不等，显示出高度的涡轮层状结晶性。

图6 展示了tFG在水性表面活性剂溶液中的分散性，通过紫外-可见吸收光谱法测定了tFG的浓度，证实了其在溶液中的良好分散性。

在纳米复合材料的表征方面，图7 展示了tFG-聚乙烯醇（PVA）纳米复合材料的制备过程，并通过傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和拉曼光谱分析确认了tFG在PVA基体中的均匀分散。

图8 通过拉伸强度测试，研究了tFG-PVA纳米复合材料的机械性能，结果表明，与纯PVA相比，添加tFG可以显著提高材料的拉伸强度和杨氏模量，尤其是在tFG添加量为0.1%至1%时，断裂应变提高了15%至30%。

图9 展示了tFG-PVA纳米复合材料的水吸收性能和接触角测量结果，证实了tFG的加入显著降低了PVA的亲水性，提高了材料的疏水性。

最后，图10 展示了tFG在普通波特兰水泥（OPC）中的应用，即使在较低的添加量下，也显著提高了OPC浆体和混凝土的压缩强度，这进一步证实了tFG在增强材料性能方面的潜力。

总之，本研究不仅优化了tFG的制备过程，还展示了其在不同纳米复合材料中的应用潜力，为塑料废弃物的高值化利用和高性能纳米复合材料的开发提供了新的策略。

总结与展望

本研究提出了一种将塑料废弃物热解灰（PW PA）转化为涡轮层状闪蒸石墨烯（tFG）的有效方法，为塑料废弃物的化学循环利用开辟了新途径。tFG的制备不仅无需额外的功能化或纯化步骤，而且成功应用于增强聚乙烯醇（PVA）的机械和物理性能，实现了断裂应变的50%提升和吸水率的500%降低。这些成果不仅体现了tFG在材料科学领域的应用潜力，也展示了通过经济激励措施促进化学循环，将低价值废弃物转化为高附加值产品的可行性。

展望未来，tFG的合成与应用有望进一步拓展，特别是在提高材料性能、促进环保和推动循环经济等方面。tFG的增强效果有望在更多类型的聚合物和复合材料中得到验证，其在电子、生物医药、能源存储等高科技领域的应用也值得期待。此外，tFG的绿色合成方法为其他废弃碳资源的再利用提供了新思路，有助于推动整个材料行业的可持续发展。随着研究的深入和技术的成熟，tFG有望成为连接环保和高性能材料需求的重要桥梁。

文章链接

Kevin M. Wyss, Jacob L. Beckham, Weiyin Chen, Duy Xuan Luong, Prabhas Hundi, Shivaranjan Raghuraman, Rouzbeh Shahsavari, James M. Tour. Converting plastic waste pyrolysis ash into flash graphene, Carbon, 2021.

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2020.12.063.