来源：环球零碳

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小博

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小棠

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用废弃塑料制造氢气，这并不稀奇。

20多年前，日本荏原公司（Ebara）和日挥株式会社（JGC）合作，开发了一种加压气化技术，将塑料废料回收为化学原料进行制氢。该废弃塑料制氢技术被称为——荏原-宇部工艺（EUP），自年以来一直被另一家日本化学公司昭和电工所使用。

废弃塑料制氢气，不仅解决了废弃塑料的回收问题，还可以高效再利用，产生清洁的氢气，这可谓是一石二鸟。

但科学家的探索并没有就此止步。最近，美国莱斯大学的科学家不仅可以从废弃塑料中提取氢气，还能制造石墨烯，而且这个过程只需要4秒钟，成本也不算贵。

石墨烯可是一种战略新兴材料，具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。

莱斯大学的科学家在这项实验中，成功将不需要分类与清洗的混合废弃塑料，转化为高产氢气和高价值石墨烯。莱斯大学博士兼研究负责人KevinWyss表示，若以当前市场价值的5%出售产出的石墨烯，也就是打95折，就可以免费生产清洁氢气，成本收益还是非常好的。

这项研究发表在《先进材料》上。这是一项什么神奇的科技呢？这一技术跟日本的加压气化技术有何不同？

01

如何从废弃塑料中获取石墨烯和氢气

莱斯大学的研究团队，用的是一种他们非常擅长的闪蒸焦耳加热工艺（RapidflashJouleheating）。

焦耳热是一种典型的非辐射热加热方法，无需通过电热丝、炉管等载体生热后辐射加热样品，而是直接利用样品本身电阻原位生热，可在短时间内产生瞬时的高温（摄氏度以上），使样品闪速活化，同时释放出强烈的弧光。

这种加热的方式，最大特点是时间短，几秒钟就可以搞定；升温速度快（?K/s）；能量输出高（大电压、大电流）。

闪蒸焦耳加热方法最初是用在从食物垃圾等碳来源中产生的石墨烯，后来，莱斯大学的科研人员对工艺进行了改造，用来从电子废物中回收钠、铂、金和银。

这一次，他们又把这种技术用在了塑料废弃物的循环利用上。

具体方法是，将塑料废弃物样本暴露在快速焦耳热下约4秒钟，温度达到K（开尔文（K）=摄氏度+.15），迅速蒸发塑料中的氢，留下石墨烯。

Wyss表示，当我们第一次将闪蒸焦耳加热用于废弃塑料转化石墨烯时，观察到过程产生大量挥发性气体，当时还怀疑这些从反应器中喷出的气体是小分子碳氢化合物和氢气的混合物，但缺乏仪器来研究确切成分。

最后团队表征气化物后，得知聚乙烯由86%的碳和14%的氢组成，Wyss表示，我们能够以气体形式回收高达68%的原子氢，纯度达94%。

用这个方法不仅可以获取石墨烯，还意外得到了高质量的氢气，还解决了塑料污染问题。这个创新研究得到了美国陆军工程师研究和发展中心、美国空军科学研究办公室、美国国家科学基金会和海军研究办公室的支持。

JamesM.Tour教授（左）和他的学生。

来源：莱斯大学

02

将任何垃圾转变为石墨烯

莱斯大学科学家的闪蒸焦耳加热工艺，已经研究多年。

这一工艺的灵感来自他们希望找到一种能以快速、低成本、大规模生产石墨烯的设想。

早在年，莱斯大学化学家JamesM.Tour教授，采用激光诱导碳黑转化为石墨烯，短暂的脉冲将碳黑加热到K以上，使得碳原子间键断裂，随着碳原子的电子云冷却，形成最稳定的结构即石墨烯。

既然激光可以，那么热呢？Tour教授的研究生DuyX.Luong设想是否可以通过加热碳源来生产石墨烯。

起初他在一个透明的玻璃瓶中放了一点炭黑，用V的电压轰击了大约毫秒，然而并没有成功。但经过一系列调整，他成功地创造出明亮、黄白的色闪光，表明小瓶内的温度达到了K，经化学测试表明他成功合成了石墨烯。

经过多年研究，年1月，Tour和他的团队在《Nature》上以“Gram-scalebottom-upflashgraphenesynthesis”为题发表研究成果，通过廉价的焦耳热闪蒸技术可以将任何来源的碳，无论是石油焦碳、煤炭、碳黑、食品废弃物、橡胶轮胎还是塑料垃圾，统统在不到毫秒的时间内变成石墨烯。团队还成功地实现并超越了他们在一天内生产1千克石墨烯的关键里程碑。后来，《科学》杂志发表了题目为《电力：将垃圾转变为石墨烯》（Electricityturnsgarbageintographene）的报道。

再后来，Tour团队成立了一家名为UniversalMatter的初创公司，将此工艺进行商业化。

各种废弃物都可以通过闪蒸焦耳加热工艺变成石墨烯。

来源：莱斯大学

03

广泛的商业用途

闪蒸焦耳加热是一种低成本、高能效的方法，可在短时间内将任何碳基前驱体转化为大量石墨烯。虽然石墨烯可以通过其他方法生产，但其他方法要么不能生产大量高质量的石墨烯，要么需要高能量工艺。闪蒸焦耳加热避免了这些权衡。

另外，这一技术还可以实现废物利用。咖啡渣，食物残渣，旧轮胎和塑料瓶，都可以通过闪蒸来制造原料，将垃圾转化为石墨烯。

基于这一成果，石墨烯成本将大幅下降，激发研究人员将石墨烯与其他材料复合，有望推动石墨烯真正走向其他更广泛应用。

比如，团队尝试在混凝土中添加0.05vol%石墨烯，混凝土的抗压强度提升25%。在PDMS中添加该产品，强度能够提升%。

莱斯大学的研究团队还与福特汽车公司的研究人员合作，通过闪蒸焦耳加热工艺，将报废车辆的塑料部件转化为石墨烯。

新制造的石墨烯又可用来制造新车的增强型聚氨酯泡沫。测试表明，注入石墨烯的泡沫拉伸强度提高了34%，低频噪音吸收能力提高了25%。石墨烯的重量含量仅为0.1%或更少，却让汽车得到华丽升级。

这成为一个经典的材料循环使用案例。

闪蒸焦耳加热还可用于从混合废塑料中制造碳纳米管和碳纳米纤维，这种方法比现有生产工艺效率高90%。

石墨烯、碳纳米管和其他碳基纳米材料通常强度高、化学稳定性好、密度低、表面积大、具有导电性和宽带电磁吸收能力。这使得它们可用于各种工业、医疗和电子应用，例如复合材料、涂料、传感器、电化学储能等。

首图来源：莱斯大学

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参考资料：

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