1秒3000度！快速焦耳熱，秒級高溫將廢塑料升級為高性能石墨烯

　　近日，上海交通大學李佳副教授團隊在《Cell Reports Physical Science》上發表題為“Reviewing graphene synthesis from carbon waste for energy storage applications”的綜述。該綜述總結了將生物質、廢塑料和廢石墨轉化為石墨烯用于儲能的研究。針對不同廢物需采用特定轉化方法，且超級電容器與鋰離子電池對材料結構有不同需求。未來應聚焦綠色規模化工藝、機理研究及全器件驗證，以實現“廢物到產品”的可持續閉環。

【研究背景】

　　1. 碳廢物問題嚴峻：生物質、廢塑料和電子廢棄物（尤其是廢鋰離子電池）大量產生，帶來環境與健康風險，但其富含碳元素，具備資源化潛力。

　　2. 石墨烯材料需求迫切：石墨烯因其高比表面積、優異導電性等特性，在電化學儲能領域（如超級電容器和鋰離子電池）應用前景廣闊。

　　3. “變廢為寶”的機遇：將碳廢物轉化為高價值的石墨烯基儲能材料，既能緩解廢物處置壓力，又能為儲能器件提供低成本、高性能的電極材料，是實現循環碳經濟的關鍵路徑之一。

【研究方法】

　　1. 熱化學轉化法：通過高溫熱解使生物質或廢塑料碳化并實現石墨烯片層剝離，常結合熔鹽限域或KOH化學活化以創造高比表面積多孔結構。

　　2. 化學氧化剝離法：主要采用改良Hummers法，利用強氧化劑將廢石墨氧化并剝離成氧化石墨烯，能有效去除表面雜質，是處理廢石墨的主流化學方法。

　　3. 機械力化學法：通過高能球磨的物理作用實現石墨層剝離與結構缺陷引入，可同步進行雜原子摻雜，是一種綠色且具規模化潛力的物理方法。

　　4. 快速焦耳熱法：對廢塑料等施加瞬時高電流，使其在毫秒級時間內經歷超高溫并實現石墨化，具有高效、節能且對原料純度要求低的特點。

【研究結果】

　　1. 生物質石墨烯制備方法優化提升性能：通過熔鹽模板、KOH活化和氮摻雜等方法抑制堆疊、增加比表面積和活性位點，使其在超級電容器中比電容>300F/g，在鋰離子電池中容量>500 mAh/g。

圖1：生物質廢物轉化為石墨烯基材料的方法發展

圖2：從生物質廢物合成先進鋰離子電池碳負極材料的代表性策略

　　2. 快速焦耳熱法高效轉化廢塑料：該法通過瞬時焦耳熱將廢塑料快速轉化為多孔褶皺石墨烯，過程高效、無需催化劑，所得材料在鋰電中展現出良好的倍率性能，為塑料升級回收提供了新途徑。

圖3：用于鋰離子電池的廢物衍生石墨烯材料制備方法及電化學性能圖示

　　3. 廢石墨從純化到功能化升級回收：通過改良Hummers法有效去除雜質，并進一步通過低溫退火或氮摻雜球磨將其轉化為高性能負極材料，鋰存儲容量>340mAh/g，實現了高值化利用。

圖4：廢石墨升級回收為rGO用于超級電容器的兩條路徑示意圖

圖5：廢石墨升級回收為先進鋰離子電池負極材料的策略

【展望】

　　1. 機理研究深化：借助計算模擬與人工智能，從經驗試錯轉向理性設計，實現對材料結構與性能的精準調控。

　　2. 綠色工藝升級：重點發展機械化學法、快速焦耳熱等低污染、可規模化的合成技術，推動其產業化應用。

　　3. 應用閉環驗證：加強從材料到全器件的性能與循環壽命評估，完成從“廢物”到“儲能產品”的完整鏈條。

　　來源：焦耳熱超快合成