不到1秒，廢塑料變石墨烯！

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(jī)械強(qiáng)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(jī)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(jì)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(chǎng)全球性環(huán)境危機(jī)，每年產(chǎn)生超過3億噸塑料，其中大部分*終進(jìn)入垃圾填埋場(chǎng)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(yán)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(jià)值的材料。將塑料轉(zhuǎn)化為石墨烯是一種獨(dú)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(duì)先進(jìn)材料的需求。

化學(xué)回收的產(chǎn)品主要是碳?xì)浠�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(jià)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(jìn)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(shí)間內(nèi)將材料加熱到約3000開爾文。這種快速加熱會(huì)蒸發(fā)除碳以外的所有物質(zhì)，碳會(huì)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(gè)特別創(chuàng)新的擴(kuò)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(gè)重大的環(huán)境問題，因?yàn)樗鼈兤毡榇嬖谟诤Ｑ�、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(shí)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(kuò)展性。

經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益

閃蒸石墨烯工藝具有顯著的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。傳統(tǒng)的石墨烯生產(chǎn)方法每克成本高達(dá)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(chǔ)能和建筑材料。

此外，該工藝對(duì)環(huán)境的影響也頗為深遠(yuǎn)。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(huì)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(jìn)一步減少了碳足跡。例如，據(jù)估計(jì)，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(jī)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(kuò)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(jìn)剝離，但它需要苛刻的氧化劑，并且在隨后的還原步驟中會(huì)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(duì)許多廉價(jià)碳源（如煤、石油焦、生物炭、炭黑、廢棄食品和混合塑料廢物）進(jìn)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(huì)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(biāo)準(zhǔn)化工藝對(duì)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(jìn)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(jì)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(jìn)步。通過將環(huán)境負(fù)擔(dān)轉(zhuǎn)化為寶貴資源，這項(xiàng)技術(shù)有可能徹底改變從能源存儲(chǔ)到建筑等各個(gè)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(jì)做出貢獻(xiàn)。