石墨烯是一種厚度只有一原子的碳原子片,以蜂窩狀晶格排列,因其優(yōu)異的電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率和機械強度等特性而聞名。傳統(tǒng)上,石墨烯是通過化學(xué)氣相沉積(CVD)和機械剝離等方法合成的,這些方法耗能大、成本高。然而,將廢塑料轉(zhuǎn)化為石墨烯的技術(shù)的發(fā)展正在徹底改變生產(chǎn)過程,使其更具可持續(xù)性和經(jīng)濟可行性。這種創(chuàng)新方法不僅解決了塑料廢物的環(huán)境問題,還為石墨烯的應(yīng)用開辟了新途徑。
塑料垃圾管理
塑料垃圾是一場全球性環(huán)境危機,每年產(chǎn)生超過3億噸塑料,其中大部分*終進入垃圾填埋場和海洋。傳統(tǒng)的回收方法已被證明不足以解決這一日益嚴重的問題。因此,科學(xué)家們一直在探索創(chuàng)新方法,不僅可以減少塑料垃圾,還可以將其轉(zhuǎn)化為有價值的材料。將塑料轉(zhuǎn)化為石墨烯是一種獨特的解決方案,既解決了廢物管理問題,又滿足了各行業(yè)對先進材料的需求。
化學(xué)回收的產(chǎn)品主要是碳氫化合物,它們既可以用作發(fā)電燃料,也可以用作生產(chǎn)新材料的原料。在傳統(tǒng)的化學(xué)工業(yè)過程中,原材料占生產(chǎn)成本的60%至90%,因此,從化學(xué)回收中獲得的廉價原料為降低制造增值產(chǎn)品的成本提供了一條新途徑。由于碳是塑料的主要成分,因此廢塑料可以為碳基增值產(chǎn)品提供碳源,這些產(chǎn)品包括但不限于炭黑/活性炭、碳纖維、富勒烯、碳納米管和石墨烯等。
將塑料轉(zhuǎn)化為石墨烯
將塑料轉(zhuǎn)化為石墨烯的過程通常涉及熱解——一種在無氧條件下進行的熱分解過程。在熱解過程中,塑料廢物經(jīng)受高溫,將聚合物鏈分解成較小的碳碎片。然后這些碳碎片重新組合成石墨烯結(jié)構(gòu)。
來自萊斯大學(xué)的科學(xué)家引入了“快速閃蒸焦耳加熱(FJH)”的技術(shù)。在這種方法中,塑料廢物暴露在高能脈沖下,在不到一秒的時間內(nèi)將材料加熱到約3000開爾文。這種快速加熱會蒸發(fā)除碳以外的所有物質(zhì),碳會重新組裝成石墨烯。該過程效率極高,可將塑料中90%的碳轉(zhuǎn)化為石墨烯。
該方法的一個特別創(chuàng)新的擴展涉及將微塑料(尺寸小于5毫米的微小塑料顆粒)轉(zhuǎn)化為石墨烯。微塑料是一個重大的環(huán)境問題,因為它們普遍存在于海洋、河流甚至空氣中。科學(xué)家已經(jīng)證明,微塑料可以通過類似的熱過程有效地轉(zhuǎn)化為石墨烯,為微塑料污染問題提供了潛在的解決方案。微塑料的高表面積實際上有助于石墨烯的生產(chǎn),使這種方法不僅可行,而且具有可擴展性。
經(jīng)濟和環(huán)境效益
閃蒸石墨烯工藝具有顯著的經(jīng)濟和環(huán)境效益。傳統(tǒng)的石墨烯生產(chǎn)方法每克成本高達100美元。相比之下,使用閃蒸石墨烯技術(shù)將塑料廢物轉(zhuǎn)化為石墨烯可將成本降低至每克僅幾美元。生產(chǎn)成本的大幅降低使石墨烯更適用于各種應(yīng)用,包括電子、儲能和建筑材料。
此外,該工藝對環(huán)境的影響也頗為深遠。通過將塑料廢物轉(zhuǎn)化為石墨烯,該工藝有助于減少塑料廢物的體積,否則塑料廢物會造成環(huán)境污染。此外,該工藝所需的能源比傳統(tǒng)的回收方法要少,從而進一步減少了碳足跡。例如,據(jù)估計,閃蒸石墨烯生產(chǎn)僅消耗傳統(tǒng)石墨烯生產(chǎn)方法所需能源的 0.1%。
目前,一些公司和研究機構(gòu)已經(jīng)在探索將塑料廢物轉(zhuǎn)化為石墨烯的商業(yè)可行性。例如,加拿大公司Universal Matter開發(fā)了類似的閃蒸石墨烯工藝,并正在擴大生產(chǎn)以滿足工業(yè)需求。
大多數(shù)塊狀石墨烯是通過自上而下的方法通過剝離石墨而產(chǎn)生的,通常需要大量溶劑以及高能混合、剪切、超聲或電化學(xué)處理。雖然石墨化學(xué)氧化為氧化石墨烯可以促進剝離,但它需要苛刻的氧化劑,并且在隨后的還原步驟中會使石墨烯具有有缺陷的穿孔結(jié)構(gòu)。該公司的研究表示,對許多廉價碳源(如煤、石油焦、生物炭、炭黑、廢棄食品和混合塑料廢物)進行FJH可以產(chǎn)生亂層石墨烯(TG)。該過程不使用熔爐,也不使用溶劑或反應(yīng)氣體。從結(jié)構(gòu)角度來看,該過程產(chǎn)生的“亂層石墨烯”結(jié)構(gòu)與“石墨烯納米片”更接近。
寫在*后
盡管塑料到石墨烯的轉(zhuǎn)化潛力巨大,但在其廣泛應(yīng)用方面仍存在一些挑戰(zhàn)需要克服。其中之一是塑料廢物的多變性,這會影響生產(chǎn)的石墨烯的質(zhì)量和一致性。開發(fā)能夠處理不同類型塑料廢物的標準化工藝對于該技術(shù)的成功至關(guān)重要。此外,盡管石墨烯生產(chǎn)成本已大幅降低,但仍需要進一步研究以優(yōu)化工藝并使其在更大規(guī)模上具有經(jīng)濟可行性。
將塑料廢物轉(zhuǎn)化為石墨烯代表了廢物管理和材料科學(xué)的重大進步。通過將環(huán)境負擔(dān)轉(zhuǎn)化為寶貴資源,這項技術(shù)有可能徹底改變從能源存儲到建筑等各個行業(yè)。隨著研究和開發(fā)的繼續(xù),我們可以期待看到更多源自塑料的石墨烯的創(chuàng)新應(yīng)用,為更可持續(xù)和循環(huán)的經(jīng)濟做出貢獻。