不到1秒，废塑料变石墨烯！

石墨烯是一种厚度只有一原子的碳原子片，以蜂窝状晶格排列，因其优异的电导率、热导率和机械强度等特性而闻名。传统上，石墨烯是通过化学气相沉积（CVD）和机械剥离等方法合成的，这些方法耗能大、成本高。然而，将废塑料转化为石墨烯的技术的发展正在彻底改变生产过程，使其更具可持续性和经济可行性。这种创新方法不仅解决了塑料废物的环境问题，还为石墨烯的应用开辟了新途径。

塑料垃圾管理

塑料垃圾是一场全球性环境危机，每年产生超过3亿吨塑料，其中大部分最终进入垃圾填埋场和海洋。传统的回收方法已被证明不足以解决这一日益严重的问题。因此，科学家们一直在探索创新方法，不仅可以减少塑料垃圾，还可以将其转化为有价值的材料。将塑料转化为石墨烯是一种独特的解决方案，既解决了废物管理问题，又满足了各行业对先进材料的需求。

化学回收的产品主要是碳氢化合物，它们既可以用作发电燃料，也可以用作生产新材料的原料。在传统的化学工业过程中，原材料占生产成本的60%至90%，因此，从化学回收中获得的廉价原料为降低制造增值产品的成本提供了一条新途径。由于碳是塑料的主要成分，因此废塑料可以为碳基增值产品提供碳源，这些产品包括但不限于炭黑/活性炭、碳纤维、富勒烯、碳纳米管和石墨烯等。

主要商用聚合物（塑料）的碳含量

将塑料转化为石墨烯

将塑料转化为石墨烯的过程通常涉及热解——一种在无氧条件下进行的热分解过程。在热解过程中，塑料废物经受高温，将聚合物链分解成较小的碳碎片。然后这些碳碎片重新组合成石墨烯结构。

来自莱斯大学的科学家引入了“快速闪蒸焦耳加热（FJH）”的技术。在这种方法中，塑料废物暴露在高能脉冲下，在不到一秒的时间内将材料加热到约3000开尔文。这种快速加热会蒸发除碳以外的所有物质，碳会重新组装成石墨烯。该过程效率极高，可将塑料中90%的碳转化为石墨烯。

该方法的一个特别创新的扩展涉及将微塑料（尺寸小于5毫米的微小塑料颗粒）转化为石墨烯。微塑料是一个重大的环境问题，因为它们普遍存在于海洋、河流甚至空气中。科学家已经证明，微塑料可以通过类似的热过程有效地转化为石墨烯，为微塑料污染问题提供了潜在的解决方案。微塑料的高表面积实际上有助于石墨烯的生产，使这种方法不仅可行，而且具有可扩展性。

经济和环境效益

闪蒸石墨烯工艺具有显著的经济和环境效益。传统的石墨烯生产方法每克成本高达100美元。相比之下，使用闪蒸石墨烯技术将塑料废物转化为石墨烯可将成本降低至每克仅几美元。生产成本的大幅降低使石墨烯更适用于各种应用，包括电子、储能和建筑材料。

此外，该工艺对环境的影响也颇为深远。通过将塑料废物转化为石墨烯，该工艺有助于减少塑料废物的体积，否则塑料废物会造成环境污染。此外，该工艺所需的能源比传统的回收方法要少，从而进一步减少了碳足迹。例如，据估计，闪蒸石墨烯生产仅消耗传统石墨烯生产方法所需能源的 0.1%。

目前，一些公司和研究机构已经在探索将塑料废物转化为石墨烯的商业可行性。例如，加拿大公司Universal Matter开发了类似的闪蒸石墨烯工艺，并正在扩大生产以满足工业需求。

大多数块状石墨烯是通过自上而下的方法通过剥离石墨而产生的，通常需要大量溶剂以及高能混合、剪切、超声或电化学处理。虽然石墨化学氧化为氧化石墨烯可以促进剥离，但它需要苛刻的氧化剂，并且在随后的还原步骤中会使石墨烯具有有缺陷的穿孔结构。该公司的研究表示，对许多廉价碳源（如煤、石油焦、生物炭、炭黑、废弃食品和混合塑料废物）进行FJH可以产生乱层石墨烯（TG）。该过程不使用熔炉，也不使用溶剂或反应气体。从结构角度来看，该过程产生的“乱层石墨烯”结构与“石墨烯纳米片”更接近。

图源：Universal Matter

写在最后

尽管塑料到石墨烯的转化潜力巨大，但在其广泛应用方面仍存在一些挑战需要克服。其中之一是塑料废物的多变性，这会影响生产的石墨烯的质量和一致性。开发能够处理不同类型塑料废物的标准化工艺对于该技术的成功至关重要。此外，尽管石墨烯生产成本已大幅降低，但仍需要进一步研究以优化工艺并使其在更大规模上具有经济可行性。

将塑料废物转化为石墨烯代表了废物管理和材料科学的重大进步。通过将环境负担转化为宝贵资源，这项技术有可能彻底改变从能源存储到建筑等各个行业。随着研究和开发的继续，我们可以期待看到更多源自塑料的石墨烯的创新应用，为更可持续和循环的经济做出贡献。