2023年，莱斯大学James M. Tour、Satish Nagarajaiah和Boris I. Yakobson教授等人在《Advanced Materials》上发表了题为“Upcycling of Waste Plastic into Hybrid Carbon Nanomaterials”的论文，提出了一种通过闪蒸焦耳热法（FJH）从废塑料中制备1维石墨材料的快速、可扩展的方法。

【总结】

（1）创新的合成方法：采用闪蒸焦耳加热（Flash Joule Heating, FJH）技术，从废塑料中高效生产出一维（1D）和一维/二维混合碳纳米材料。这种方法快速、可扩展，避免了使用溶剂或水，显著优于传统的化学气相沉积法。

（2）环保和可持续性：这种合成策略不仅能转化低价值的废弃塑料为高价值的碳纳米材料，而且在生命周期评估中显示，与传统方法相比，能源消耗和全球变暖潜力分别减少了86-92%和92-94%，体现了高环保性和可持续性。

（3）优越的材料性能：通过调整合成参数，能够控制产物的直径和形态。所得的闪蒸一维材料（F1DM）在机械性能上优于市场上可获得的商业碳纳管，特别是在复合材料中表现出更优异的增强效果。

（4）宽广的应用前景：文中提到的纳米材料不仅在复合材料中有应用，还因其优异的电性和力学性能，有望在传感器、电化学储能和电催化中发挥重要作用。

（5）多样化的可调控性：该方法可以通过调整反应条件如电压、催化剂种类和负载量等，精确控制纳米材料的形态和尺寸，实现材料属性的定制化。

图1. 一维石墨材料的制备

【研究背景】

（1）全球每年产生大量的废塑料，这些塑料大多数被填埋或燃烧，造成资源浪费和环境污染。有效回收和利用废塑料，转化为有价值的产品，是解决废塑料问题的重要途径。

（2）碳纳米材料，尤其是碳纳米管和石墨烯，因其卓越的电学、热学和机械性能，在多个领域（如能源存储、传感器和复合材料）中有广泛应用。但现有的生产方法成本高、能耗大、难以大规模生产。

（3）传统合成方法具有限制，例如化学气相沉积（CVD）需要使用有毒的溶剂或昂贵的金属催化剂，且生产过程耗时长、能耗高，这些因素限制了其在工业上的广泛应用。

（4）为解决能源和环境问题，开发新的合成策略，能从废物中直接高效合成碳纳米材料，减少能源消耗和环境影响，是材料科学研究的重要方向。

（5）另外，需要探索从废塑料直接合成高价值碳纳米材料的新技术，特别是能够处理混合塑料并转化为具有特定功能的纳米材料的方法。

【研究方法】

（1）废塑料的前处理：使用不同的废塑料作为原料，通过研磨和表面处理，将催化剂（如铁、镍、钴的盐）与废塑料混合，以增强反应的效率和目标产物的控制。

（2）催化剂的选择与加载：选用过渡金属盐作为催化剂，通过溶液浸渍法或熔融混合法将催化剂均匀加载到废塑料上。这一步骤关键在于催化剂的选择和加载量，影响最终产物的形态和性质。

（3）FJH反应的实施：将催化剂加载的塑料放入FJH设备中，利用电阻性加热迅速升温，达到3100 K以上的高温，使塑料在极短时间内（0.05秒至0.5秒）高效转化为碳纳米材料。该过程中不使用溶剂或水，实现了干法合成。

（4）产物的形态与尺寸控制：通过调整FJH的参数（如电压、电容密度、反应时间等），精细控制产物的直径和形态。使用不同的催化剂和反应条件可以定向合成一维纳米材料或一维/二维的混合结构。

（5）产物的表征与分析：采用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）、拉曼光谱（Raman spectroscopy）和X射线光电子能谱（XPS）等技术详细表征所合成的碳纳米材料的形态、结构和化学性质。

（6）生命周期评估（Life Cycle Assessment, LCA）：对比分析使用FJH技术合成碳纳米材料与传统方法之间在能源消耗、全球变暖潜力等环境影响方面的差异，证明新方法的环保优势。

【研究结果】

（1）高效合成碳纳米材料：通过闪蒸焦耳加热（FJH）技术成功从废塑料中合成了一维和一维/二维混合碳纳米材料。这些材料包括碳纳米管和石墨烯，表现出优异的物理和化学性能。

（2）产物形态的多样性和可控性：研究表明，通过调整FJH的反应条件（如电压、电容、催化剂类型和浓度等），可以控制合成碳纳米材料的形态和尺寸，包括纳米管、纳米纤维和纳米带等不同结构。

（3）环保效益显著：生命周期评估结果显示，与传统的化学气相沉积法相比，使用FJH技术合成碳纳米材料的过程中能源消耗和全球变暖潜力分别减少了86-92%和92-94%，展现了该技术的环保和可持续性。

（4）材料的应用潜力：合成的碳纳米材料在多个应用领域展现出卓越性能，特别是在复合材料中，闪蒸一维材料（F1DM）比商业可得的碳纳米管表现出更优的机械强度和增强效果。

（5）成本效益分析：研究还对比分析了使用FJH技术与传统方法生产碳纳米材料的成本效益，证实了新方法在工业规模应用中的经济可行性和较高的成本效率。

【展望】

根据研究内容和结果，可以推测一些可能的后续研究方向：

（1）进一步优化合成参数：深入研究不同催化剂类型、浓度、反应时间和电压等参数对碳纳米材料形态和性质的影响，以实现更高效的产物控制和性能优化。

（2）扩展原料种类：探索除了塑料之外的其他废弃物料（如橡胶、纺织品等）用于生产碳纳米材料的可行性，以进一步扩大资源循环再利用的范围。

（3）应用开发：基于合成的碳纳米材料，开发新的应用领域，如能源存储（电池和超级电容器）、传感器、催化剂和环境治理（如水处理和空气净化）。

（4）环境影响深入分析：对FJH技术的环境影响进行更全面的评估，包括对生态系统的潜在影响，以及在不同地区实施该技术的环境效益比较。

（5）规模化生产的挑战：研究如何将实验室规模的合成方法扩展到工业生产规模，包括解决成本、设备和技术的可行性问题。

（6）功能化碳纳米材料：研究通过掺杂或功能化处理进一步改善碳纳米材料的特定性能，例如通过掺杂金属或非金属元素来改善其电导性或催化活性。

（7）材料复合与界面工程：研究碳纳米材料与其他材料（如金属、陶瓷、高分子等）的复合制备技术，优化材料界面，提升复合材料的整体性能。

（8）生命周期评估的拓展：除了能耗和全球变暖潜力之外，进一步研究材料的回收、重用和处置阶段的生命周期影响，以全面评价其环境友好性。

赛因脉冲电闪蒸反应器FJH-2024A

扫码关注视频号（左）和添加微信（右）

总经理：高丽竹 18610000351（微信同号）

https://doi.org/10.1002/adma.202209621