成果简介
利用闪焦耳加热（FJH）法将废料转化为石墨烯，是解决全球环境污染问题的一种生态友好型可持续方法。闪焦耳加热法通过施加高压电流，在几毫秒到几秒钟内产生超过3000°C 的温度，从而将塑料、电池和食物垃圾等碳基材料高效转化为高质量石墨烯。这项技术不仅为石墨烯合成提供了一条快速、节能的途径，还解决了传统废物处理方法的环境弊端。传统的石墨烯生产技术依赖于使用苛刻的化学品或在极端条件下进行，往往能耗高、成本高，与之相比，闪速石墨烯具有可扩展性、速度快、成本低的特点，因为它使用煤炭作为碳源，每吨成本仅为130-135美元，能够处理各种废料，无需溶剂或催化剂，而且每千克石墨烯仅产生约10公斤二氧化碳（CO2），而传统合成法每千克石墨烯仅释放 400-500公斤二氧化碳（CO2）。闪速石墨烯（FG）在混凝土生产、水净化和超级电容器等各种应用领域都大有可为，是可持续技术发展的重要推动力。
本文，亚历山大大学Mohamed Hosny等研究人员在《ENVIRON RES》期刊发表名为“Recent Trends in Transforming Different Waste Materials into Graphene via Flash Joule Heating”的综述，深入探讨了FJH石墨烯的基本原理、自动化以及过去四年中该工艺的扩展情况，该工艺的目标是每天生产100吨石墨烯。文章讨论了FG的各种表征技术、FG 与传统石墨烯相比的优势，以及 FJH 所面临的挑战和局限性。
图文导读
2.1 FJH工艺及其改进
在废料升级再造的背景下，FJH 已经发展成为一种新技术，可以通过将塑料等各种不同的废料转化为高质量的FG来彻底改变我们处理各种不同废料的方式。该过程包括在几毫秒内将废料置于快速、高温的放电下，通常在 2,500 至 3,000 摄氏度之间。这种突然的加热和快速冷却导致材料内的碳原子重新排列成涡轮层石墨烯结构，与传统的AB堆叠石墨烯层相比，这种结构更易于调整、管理和易于剥离 。因此，FJH有助于在很短的时间内以最低的能耗有效地将废物转化为有价值的产品。
图1.过去四年发表的 FG 文章数量 （a），以及对这些出版物的主要贡献研究人员 （b） 和研究机构/大学 （c）。
图2.转化不同的富碳原料，包括电子垃圾、生物质垃圾、橡胶垃圾、煤炭、石油焦、沥青、CO2和 PW 转化为有价值的涡轮层FG。
表1.FG 与传统生产的石墨烯之间的比较。
| Empty Cell | FJH-produced Graphene | Conventionally Produced Graphene (e.g., CVD, Mechanical Exfoliation) | References |
|---|---|---|---|
| CO2 Emissions | Low CO2 emissions (∼10 kg CO2/kg graphene) and could be less than that | High CO2 emissions (∼400-500 kg CO2/kg graphene) | [53] |
| Feedstock | Uses any carbon-based waste material such as plastics, batteries, biomass, and food waste | Requires purified carbon sources like methane or graphite | 13, 55 |
| Energy Consumption | Low energy consumption (due to rapid heating in milliseconds) | High energy consumption (CVD requires continuous heating at ∼1000 °C) | 13, 54 |
| Production Time | Short production time (graphene is produced in the range of milliseconds to a few seconds) | Long production time (CVD can take minutes to hours; exfoliation is slower and less scalable) | 54, 55 |
| Scalability | Good scalability (can use large quantities of waste material) as it currently produces kilograms of graphene per day | Limited scalability (CVD and exfoliation are not easily scalable for industry) | 38, 54 |
| Production cost | Low production cost (estimated cost is significantly cheaper due to feedstock) as it could be around 130-135 US dollars per ton | High production cost (CVD systems and purified feedstocks are expensive) as it could be 60000 to 100000 US dollars per ton | [28] |
| Graphene Quality | Produces turbostratic graphene (less ordered than CVD graphene) | Produces more crystalline graphene with high quality, especially with CVD | [13] |
| Sustainability | Sustainable, environmentally friendly (recycles waste into high-value graphene), and can be carbon-neutral or negative if the electricity is sourced from renewable energy | Less sustainable due to high energy use and reliance on non-renewable feedstocks | 26, 53 |
| Application | Suited for various applications like water treatment, energy storage, concrete and cement production, and applications requiring good purity if the graphene is sourced from a good-quality carbon source | Suited for high-performance electronics and nano-devices requiring high purity and precise control over thickness and composition | [15] |
2.2 FG 的应用
2.2.1 水处理
FJH 是一种较新的创新方法，为 FG 生产提供了一种经济高效、可扩展且环保的方式。与传统石墨烯相比，FG 具有卓越的分散和结构优势。与由于范德华力而容易聚集和堆叠的普通石墨烯不同，FG 独特的生产工艺不仅产生了高度多孔的结构，减少了缺陷和皱纹，而且还促进了石墨烯片材的涡轮布局。这种旋转错位降低了静电力并增加了面间距。此外，通过削弱范德华的吸引力并实现更好的溶剂或聚合物分散，最大限度地减少石墨烯片的堆叠趋势。这种增强的分散性在需要高均匀性的应用中特别有益，例如水处理。此外，增加的平面间距离和减少的片面相互作用显著增强了 FG 的吸附能力。此外，更高的比表面积允许更多的活性位点，而降低的相互作用能有助于更容易获得吸附物或化学试剂。
2.2.2 用于储能的高效超级电容器
对于超级电容器应用，通过 FJH 生产的石墨烯具有多项优势。高表面积可在电极-电解质界面实现高效的离子吸附，从而增强双电层电容机制。此外，FJH-石墨烯的少层结构和高导电性确保了快速的电子和离子传输，降低了内阻并提高了整体电化学性能。这使得超级电容器具有更高的能量和功率密度，以及卓越的循环稳定性，使其成为下一代储能设备的理想选择。
2.2.3 环保型导电油墨
一个有前途的发展是将 FG 整合到导电油墨中，与传统的金属基选择相比，它具有许多优势。FG 的高导电性有助于实现高效的电子传输，这对于印刷电子应用至关重要。石墨烯的大表面积，由于其二维结构，增强了油墨和基材之间的相互作用，从而形成了更稳定和导电的网络。此外，石墨烯的机械柔韧性和强度使其非常适合用于柔性和可穿戴电子产品，而传统的金属基油墨在机械应力下可能会因开裂或导电性丧失而失效。
图3.FG 在水处理、超级电容器、导电油墨、润滑剂添加剂和聚氨酯泡沫中的应用。
3. FJH工艺的挑战和局限性：
能源需求：虽然 FJH 能有效地快速转换材料，但该工艺需要电能来达到石墨烯形成所需的极高温度（高达 3000°C）。这在减少二氧化碳排放方面可能是一个限制，除非电力是由可再生能源生产的。
材料兼容性：并非所有废料都适合 FJH。该工艺对富含碳的材料最为有效，而非碳元素或污染物的存在会影响石墨烯的质量，或需要额外的处理步骤来去除杂质。
设备和基础设施：FJH 需要能够承受该工艺极端条件（如高压、高温和高压）的专用设备。这些设备的初始投资可能很高，长期维护这些设备也会带来挑战。
石墨烯质量控制：虽然 FJH 生产的石墨烯具有理想的特性，但根据原料和加工条件的不同，石墨烯的质量和特性也可能存在差异。在大规模生产中确保质量的一致性可能具有挑战性。
电子应用中的微细加工不可靠：在电子应用的微细加工中，CVD 通常因其能够生产出高质量的石墨烯薄膜而受到青睐，因为它能够精确控制厚度和成分，而这正是实现最佳设备性能的关键因素。相比之下，FJH 虽然更具成本效益，但由于碳主要来自废料，在制造过程中会引入固有杂质，因此面临着挑战。CVD 在半导体行业的广泛应用进一步强化了这一领域对 CVD 的偏好，因为在半导体行业，生产的一致性对于确保高质量石墨烯的持续供应至关重要。FJH 在实现这种精度方面的局限性可能是导致该领域研究成果发表速度较慢的原因之一，因为它的用途主要局限于对精度要求不高的应用领域。
环境和安全问题：高温和快速加热可能会导致安全问题，特别是在处理活性材料和热失控风险方面。此外，管理工艺过程中产生的排放物或副产品可能需要仔细考虑，以尽量减少对环境的影响。
小结
FJH 是一种生产石墨烯的尖端方法，它有效克服了传统合成方法的若干局限性。通过对煤炭和塑料等富碳材料施加高压电流，FJH 能够在几毫秒到几秒钟内将这些原料快速转化为高质量的石墨烯。据报道，迄今为止，与之前生产的所有其他石墨烯相比，炭黑基FG的I2D/G值最高，达到17。与传统工艺（如化学气相沉积法）相比，这种技术有了很大的改进，因为传统工艺通常需要消耗更多的能源和时间。FJH 的一大优势在于其可扩展性和自动化潜力。研究人员正在不断改进材料处理工艺，整合可编程系统，以保持工业规模石墨烯生产的一致性。
这种方法的可扩展性为广泛的商业应用带来了巨大希望，特别是考虑到其成本效益和处理各种碳基废料（如电子垃圾、塑料和食物垃圾）的灵活性。然而，日产 100 吨的目标尚未实现。FJH 使研究人员能够回收 98% 的电池金属成分，同时大幅减少能源、水和酸的消耗以及二氧化碳的排放。此外，如果可再生能源能够为电网提供动力，那么袋式除尘器系统就有可能实现碳中和，甚至通过最大限度地减少对化石燃料的依赖而实现负碳排放。据估计，一吨由煤制成的 FG 成本约为 130-135 美元，而传统石墨烯的成本为 60000-100000 美元。石墨烯在混凝土、导电油墨、润滑剂、超级电容器生产以及水处理等各种应用领域都取得了可喜的成果。
根据本综述文章的结论和主要发现，可以提出一些建议：
- 强烈建议使用可再生能源发电，以减少二氧化碳排放。
- 应研究使用不同类型的生物废料（如植物物种），因为植物具有不同浓度的纤维素、半纤维素、木质素和其他有机成分，这些成分可用于生产具有不同特性（如不同形态）的纳米材料，如文献 [78] 所述。这些植物成分可以单独或集体提取和用于生产 FG，因此这些变化会影响石墨烯的质量和特性，这一点很有趣，并可能带来有前景的结果。与塑料和煤炭不同，植物是天然的可再生碳源。
- 尽管自 Tour 教授小组首次发表 FG 论文至今已有四年，但发表的论文总数仅为 46 篇。这些出版物涉及利用特定碳源（锂离子电池）实现 FJH 自动化和规模化，但利用各种碳源实现 FJH 的可行性仍有待研究。
- 在未来的研究中，应使用先进的表征技术（如原位技术）进一步研究 FJH 的机理，以澄清并加深对 FJH 79、80 的理解。
- 在 FJH 之后，如何清洁石英管并在不同原料中重复使用，以避免交叉污染？或者，如果只使用一次，长期成本是多少？这一点应在出版物中加以说明，以更好地阐明 FJH 的成本效益。
- 与新出现的纳米材料一样，应开展对含氟温室气体的毒性研究。
- 应寻求全球不同研究团体之间以及与工业制造商（尤其是发展中国家的制造商）在提高石墨烯质量及其全球生产方面的合作。这种合作包括资助研讨会和实习计划，让中小学生、大学生和年轻研究人员获得在石墨烯生产行业工作的经验。
- 对于氢氟烯烃的工业应用而言，将余热回收和废气处理系统纳入工艺流程至关重要 [79]。这些系统能够有效捕获和再利用在氢氟烯烃生产过程中产生的热量和气体，这就需要上述工业界和学术界之间的合作。所有这些战略都能提高公众和研究人员对袋式除尘器的认识，从而增加与此相关的出版物数量（目前仅有 46 篇）。
文献：https://doi.org/10.1016/j.envres.2025.121033
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